機械技術 螺紋發展史

螺旋在自然界中很普遍 許多植物花瓣、果實的排列 都符合斐波那契數列 一些貝類是螺旋形 還有漩渦、巨峯等 把繩子纏在木棍上 也很容易得到螺紋 它啓發了人類 資料記載 約公元前300年 出現了阿基米德抽水泵 它到現在還在用 古羅馬人造出螺旋壓力機 裝有粗狀的木質螺桿 用來壓榨橄欖油和葡萄汁 它表明 當時人們已經發現 螺紋的兩大功能 輸送和施壓 可以熟練利用 漫長的中世紀歐洲 鐵匠鋪的作用重要 每個村莊至少有一家 打造梨、馬蹄鐵、鐵釘、餐具 以及盔甲和刀劍 幾乎是首挫萬物 它們代代相傳 技藝精良 螺紋技術此時全面發展 除了榨油外 還用來鑄造硬幣 拔出瓶塞 加工木材 以及製造各種可怕的刑具 在中世紀晚期達芬奇手稿中 出現了螺紋機牀 甚至有螺紋直升飛機的設計 在這個時期 螺紋開啓了第三個功能 連接和緊固 螺釘在15世紀已經很常見 古藤堡在歐洲早期印刷機中 最早使用螺絲 16世紀開始廣泛使用到 時鐘、盔甲和槍械中 這是一顆當時的螺釘 用在火槍上 以及加工螺釘的工具 上面有多個圓孔 可以做各種半徑的螺釘 鐵匠用它加鑄高溫鐵棒 用傢俱固定後 手工旋轉出螺紋 再用錯刀修整成型 工業革命到了 天亮的機器訂單 忙壞了鐵匠們 手工搓制需要熟練的老師傅 機器精度低 成本高昂 社會迫切需要新方法 機械天才莫茲利意識到 手搓螺釘效率太低 必須走機器加工的道路 他發明了絲槓車牀 解鎖了螺紋的第四個功能 旋轉定位 絲槓與主軸之間用齒輪相連 可以聯動和變速 保證刀具均速運動 從而在旋轉的金屬棒上 加工出精確的螺紋 製造精確的絲槓成爲核心問題 誤差大的機器 沒法造出誤差小的零件 這似乎是個先有雞 還是先有蛋的怪圈 第一根絲槓 必須由大神級別的工匠 手搓出來 莫茲利做了好幾根 再選出最精確的進行疊帶 終於造出兩米長的 高精度黃銅絲槓 他又發現 雖然螺紋間距準確 但邊緣還是不準 他一遍遍地重做 到1810年 終於造出了傑出的車牀 改進工作 一直持續到他去世 絲槓車牀 具有劃時代的意義 莫茲利被稱爲雞牀之父 工作母機的精度 一直是大問題 到今天 也沒有完全替代雙手 人工刮嚴 仍是重要的工序 人們發現 需要盡力減少摩擦 避免絲槓磨損 1874年 出現滾珠絲槓 在螺旋滾道中裝入鋼珠 變滑動摩擦爲滾動摩擦 精度更高 20世紀中期 液壓技術發展 催生了淨壓絲槓 絲槓和螺母之間 是高壓油膜 並不接觸 精度極高 絲槓車牀走出第一步 後來又出現了板牙和絲錐 螺紋開始量產 當時市場上有各種螺紋 廠家只能修理自己產的機器 沒法互換 爲了通用 1841年 惠特沃斯提出 惠氏螺紋標準 1905年 泰勒提出螺紋量規原理 至此 英國全面掌握 螺紋的生產和測量技術 在美國 1798年 大衛威爾金森 也發明了量產螺釘的機械 惠氏螺紋提出20多年後 威廉塞勒斯提交了研究論文 創立了美國螺紋標準 它比惠氏螺紋更容易生產 在美國迅速普及 1904年巴爾的摩城發生火災 華盛頓消防隊趕來支援 卻連不上當地消防栓的接口 眼睜睜看着大火蔓延 這個事件 促成美國標準組織的成立 形成了英美兩大標準並立的局面 這種局面 坑死了不少士兵 二戰中盟軍的螺紋標準不統一 造成後勤混亂 經常在緊急關頭時 沒法修理武器 損失嚴重 戰後 英美和加拿大 開始協商統一螺紋標準 也滿足貿易增長的需求 工制螺紋標準最終確立 衆多的應用 造就了豐富的螺絲種類 最初是一字頭 螺絲刀很容易滑出來 1908年 加拿大羅伯森發明了方形驅動螺釘 可以裝在電動工具上 流水線的工人 能夠單手伸進縫隙操作 螺絲刀不容易滑出來 到1930年 亨利·菲利普斯發明了更好用的十字頭螺釘 普及到整個美國汽車業 這之後 螺絲種類就越來越多 功能複雜多樣 演變成緊固件大家族 有緊固又延伸出鑽孔功能 採用螺旋槽的麻花鑽 爲工業革命立下汗馬功勞 螺紋的第五個功能 是螺旋放大 17世紀 英國天文學家加斯科因 利用螺紋原理 在1693年發明卡鉗千分尺 通過帶刻度的圓盤連接螺桿 這是人類首次用螺紋測量長度 瓦特於1772年 製造出臺式測量儀 它的U型結構被廣泛效仿 寄牀之父莫茲利 發明了高精度臺式千分尺 稱爲大法官 是精密測量的開端 這些發明只是他們自己使用 推動商品化的是惠特沃斯 他推向市場的測長機 誤差萬分之一英寸 提升了整體行業水平 現代千分尺的特點是 U型結構和單手操作 1848年 由法國讓洛朗帕爾默獲得專利 美國人進行改良 增加了控制和鎖緊裝置 造出普及型的千分尺 如今 它已經是常用工具 在精密製造和質量控制中 作用巨大 這是中世紀達芬奇草圖中的 渦輪渦杆傳動機構 將渦輪截面做成劍開線 與齒輪涅合 就解鎖了渦輪的第六個功能 傳動 渦杆可以看作是 加長的斜齒輪 它的傳動比很大 適合大幅降速 可以設計得非常緊湊 傳動平穩 它有自鎖特性 平下就不會倒轉 可以作爲安全保護 缺點是滑動摩擦 發熱和磨損大 它適合傳遞功率不大 需要精確控制運動量的機械中 1835年 惠託沃斯發明了滾齒機 將刀齒排成螺紋形式 利用渦杆和齒輪的涅合來工作 它精度高 效率高 在齒輪加工領域應用廣泛 看似古老的阿基米德抽水機 它的輸送功能 在工業革命中被髮揚光大 這是蒸汽機車後部 煤水車的螺桿自動加煤裝置 1836年 弗朗西斯史密斯 在阿基米德抽水機的啓發下 發明了傳用螺旋槳 人們發現 在新的材料加持下 這種結構可以承擔很大壓力 加壓技能從此解鎖 革新來自於炸油業 在工業革命前 傳統的炸油機只能逐次分批加工 1888年 美國安德森發明了革命性的連續炸油法 它從連續工作的印刷機得到啓發 將螺桿放在穿孔圓筒內 可以連續加壓 連續生產 是當今螺旋壓力機的基礎 廣泛應用在植物油 煉油和合成橡膠行業中 另一個重量級發明 是在新興產業 1872年 約翰維斯利凱悅 也採用圓筒內設置螺桿的思路 不同的是 在圓筒外加熱 融化圓筒內的塑料顆粒 加壓擠出 批量生產塞洛洛製品 這是最早的注塑機 隨着塑料的廣泛應用 注塑機愈加重要 被譽爲改變歷史的機械 只要螺桿足夠結實精確 讓它飛速旋轉 就會產生新的功能 可以用來壓縮氣體 1934年 瑞典阿爾夫萊澤姆需要壓縮空氣 來配合燃氣輪機 但傳統的活塞型轉速太慢 他希望由燃氣輪機直接驅動 他發明了螺桿壓縮機 兩個螺桿相互涅合 不接觸 間隙很小 高速旋轉下 壓縮空氣的效率很高 它簡單可靠 各個行業都有它的身影 後來出現單螺桿的類型 有一個螺桿配上兩個涅合的星輪 旋轉過程中 空腔減小產生壓縮效果 它可以做得很小 維護簡單 適用更廣 這個功能 平面螺旋也能做到 這是渦旋式空壓機 動靜渦流盤相互運動 產生壓縮效果 它很安靜 經濟節能 方便維護 現代家用空調就在使用它 螺桿空壓機的過程反過來 就是螺桿真空泵 它適合抽取水蒸氣 及少量粉塵的氣體 具有節能 免維修等諸多優點 隨着人類機械和材料水平的提高 螺紋的功能越來越多 它是人類最實用的發明之一 面對難題 工程師會首先想到螺紋 它總能不負衆望 圓滿解決問題 在不經意間出現在身邊的各個角落