精密制造历史的关键一环

在一生80年的岁月中，威尔金森在1776年，即48岁时赚得了一笔巨大的财富。在后文中展示的他的肖像画由托马斯·盖恩斯伯勒（Thomas Gainsborough） 绘制（见图1-1），因此他绝对不是一个无名之辈，但如果对读者而言，威尔金森的事迹需要经过我的宣传才被知道的话，那么他也算不上是一个真正的名人。

值得注意的是，几十年来，威尔金森英俊的肖像画并没有在伦敦或坎布里亚（他出生的地方）获得显赫的位置，而是与其他4位由盖恩斯伯勒画就的名人一起悬挂在柏林一个安静的画廊里，其中一位名人只是个研究斗牛犬的行家。从德国画廊到英格兰家乡的距离似乎表明了威尔金森对家乡并无眷恋。而就像《新约》中的先知在故乡并没有得到赞誉，这一境况似乎也适用于威尔金森，因为在今天，几乎没有人记得威尔金森了。他的同事兼客户，苏格兰人詹姆斯·瓦特的赫赫威名使他黯然失色，但是瓦特早期的蒸汽机，基本上是靠威尔金森非凡的技术才得以诞生的。

在那时看来，蒸汽机的发展是下个世纪工业革命的核心，它与大炮的制造有着千丝万缕的联系。这不仅仅是因为两者都使用了由厚重的铁块制成的部件，大炮还使得威尔金森、瓦特还有钟表匠哈里森三者关联到了一起。我们应该还记得，哈里森的钟表为皇家海军而做，在舰船上得到测试和使用，而这些舰船上则装备了大量的火炮。

这些大炮是由英国铁匠制造的，威尔金森正是其中最杰出的一员，而且事实证明，他也是其中最有创造力的。因此，我们所有的故事就从这里开始，从18世纪中叶英国皇家海军舰炮的制造开始，这是个英国水手和海军将士疲于奔命的年代。

威尔金森出生于铁匠家庭。他的父亲艾萨克·威尔金森（Isaac Wilkinson）原本是一个湖区牧羊人，偶然发现他的牧场上既有矿石也有煤炭，因此很快就成了一个铁匠，这项工作占据了其后半生大部分的时光。作为一个靠着熔炉生活的人，艾萨克日常的工作便是冶炼矿石和锻铁，而用于冶铁的原料，除了铁矿石以外，还要用木炭或经过焖烧的煤，我们称这种加工过的煤为焦炭。采用焦炭是出于保护环境的考虑，因为木炭的制造已经使英格兰失去了大片的森林。

据说，约翰在出生那天还经历了一些故事。他的母亲临产时，正在赶往郊野集市的路上，她当时坐在颠簸前行的马车上，沿途观看路边铁匠铺里喷涌而出的白热蒸汽，以及熔化的红热金属。约翰的母亲对猛烈加热的金属及锤打加工金属器皿的过程着了迷，而就在这时分娩突然开始了。后来约翰长大后，在英格兰中部地区以及他父亲定居的威尔士马驰地区（Welsh Marches） 习得了铁匠的技术，并于18世纪60年代逐步精通了锻造金属的技艺，最终成为“铁疯子”。

在威尔士与英格兰边境地区的伯沙姆村（Bersham），威尔金森拥有一家相当大的铸造厂。从铸造厂的第一批账本来看，威尔金森自那时起就已经开始认真地组织生产了，工厂的产品包括“挂历用的转轴、装麦芽磨粉的圆筒、装糖果的卷筒、水管、铁皮盒、手榴弹和枪”，而正是上述表单这最后一项，即军火，让威尔金森成为伯沙姆这个小村庄里最富裕的居民和最大的雇主，使这个小村庄在世界历史当中成为一个独特的地方。伯沙姆村位于克利韦多格河（River Clywedog）流域，在工业革命的进程和精密制造的故事中都扮演着无可争辩的角色，尽管这一事实已经几乎被人遗忘了。

正是在这里，威尔金森靠着以煤为原料的炉子，每周生产20吨优质的铁。1774年1月27日，威尔金森发明了一种制造枪炮的技术。虽然他的朋友兼竞争对手亚伯拉罕·达比三世（Abraham Darby Ⅲ）留下的至今仍屹立不倒的考尔布鲁克代尔铁桥（Iron Bridge of Coalbrookdale），吸引着数百万的游客来参观，并被大多数现代英国人视为工业革命最有力且最具辨识度的象征，但是我认为，相比这座铁桥，威尔金森造枪和冶铁的技术产生了更直接的级联效应 ，其影响远比他想象的要深远得多，而且在长期看来具有更大的意义。

威尔金森申请了一项编号为“1063”的专利，这一编号意味着它在英国专利史上算得上是相当早的专利。这项专利于1617年第一次公开，名称是“一种铸造枪炮并给枪炮打孔的新方法”。虽然以今天的标准来看，他的“新方法”几乎是平庸的，但在大炮制造的工艺上，这一方法却带来了非常明显的进步。1774年，当整个欧洲的海军炮兵部队在科学技术和装备水平上都有了突如其来的进步的时候，威尔金森的新方法更被奉为天赐之物。

在此之前，海军大炮采用空心铸造工艺，尤其是32磅长身管火炮，这是皇家海军一流战舰的标准配置，通常在新船下水时要订购100门。炮膛，即点燃火药以及弹丸在大炮内部被推进和发射的地方，制造于铁在模具中冷却的过程。然后人们将大炮固定在砖块上，将一把锋利的切削工具绑在一根长杆的末端伸进炮管里面，这样做的目的是消除炮管内表面的任何缺陷。

这项铸造工艺的问题在于，切割工具会自然地沿着炮管内部现成的空腔运动，而炮管内的空腔很可能从一开始就不完全平直。这将导致抛光后的炮膛偏心，当加工偏离预期时，大炮内壁局部就会变得过薄。这会成为这门大炮的缺陷，而有缺陷的大炮是危险的，因为这意味着大炮可能会发生意外爆炸和炮管炸膛，这种情况不但会摧毁大炮，还会伤害在炮台甲板操纵大炮的水兵，这也是战舰炮台因危险而声名狼藉的原因。18世纪早期，海军火炮质量低劣，导致火炮开火时出现故障的概率高得惊人，这无疑使伦敦海军总部的负责人感到担忧。

这时威尔金森带着他的新想法登上了舞台。他决定把铁质的大炮铸造成实心而非空心的，这样做能保证铁锭本身的完整性。例如，如果人们在铸炮时安装了一个内嵌的铸模来制造内管，那么在冷却的过程中，先冷却的铁就会收缩变小、形成空腔、出现气泡甚至形成海绵状的部分。而一块坚固实心的圆柱体铁块，虽然可能很重，但如果人们小心制作，正如在伯沙姆村的熔炉中进行的那样，其内部就不会产生气泡或海绵状部分。上述问题在当时被人们称之为铸件的“蜂窝状问题”，这类问题使得空心铸造的大炮在当时臭名昭著。

然而，真正的秘密是镗孔的制造过程。加工的两端，即需要掏空的炮身和负责打孔的刀具，这两者都必须进行适当的固定，不能有丝毫松动，这一点是毋庸置疑的。无论是对于今天的精密制造来说，还是对于18世纪的加工来说，这一点都是不变的真理。因为要将某物切割或抛光成完全精确的尺寸，工具和工件就都必须尽可能地卡死和夹紧，以确保其不会晃动。此外，在加工炮管的过程中，镗孔时更不能容许镗刀晃动。因此威尔金森改进后的大炮必须铸成实心的而不是空心的，否则就有可能发生灾难性的炸膛事故。

在威尔金森专利工艺第一次迭代时，他将这个坚固的炮筒设置为旋转状态，即把一根链条缠绕在圆柱形炮筒上，并用一个水车来提供使其旋转的动力，同时，他将一把如剃刀般锋利的铁镗刀直接推进到旋转的圆柱体工件里面。这样就镗出一个全新的孔，笔直且精确。最近一位为威尔金森写传记的作家略带诗意地写道：“有了一根坚硬的镗杆和轴承，准确度必然会随之到来。”而在后来的版本中，人们将大炮保持固定，把镗刀连接到水车上转动。从理论上讲，只要控制镗刀的转向杆本身是刚性的，且炮筒两端都有支撑、保持刚性，当镗刀推进炮筒中时，圆柱炮筒就不会以任何方式弯曲、转动、松动或摇摆，镗刀就可以在它上面镗出一个非常精确的孔。

事实上，正是这家工厂生产出了符合要求且没有缺陷的大炮。一门又一门大炮从磨坊里滚落下来，每一门大炮都精确符合海军要求的尺寸，并且每一门大炮一旦出厂，就和它的前一门、后一门大炮一模一样。新的生产线从一开始就完美无瑕地工作，这样的成功激励着威尔金森拿下了著名的炮筒镗床专利。

很快，英国皇家海军收到的不再是带有缺陷的空心大炮，也不再是蹩脚的偏心炮膛火炮。如果海军用带有偏心炮膛的大炮开火，那么大炮即使不炸膛，射出去的球弹和链弹也很可能会失控乱飞。皇家海军现在从伯沙姆工场的货车上收到了大量的火炮，这些火炮的使用寿命要比原先工艺铸造的大炮长得多，而且即使射出的是葡萄弹、霰弹或爆炸性榴弹这样更难命中的炮弹，这门大炮依旧能使炮弹更加精确地飞向目标。这些强化火力的改进措施都要归功于铁匠威尔金森的努力。至此，威尔金森成了一个富有的人，他获得了巨大的成功：声誉飙升，新订单成批涌入。很快，仅他的铁器厂就加工了全国1/8的铁矿石，而伯沙姆村也在一段时间内稳步发展。

然而，是什么将威尔金森的新方法提升成为一项改变世界的发明，并让伯沙姆村由地方舞台逐步成为世界舞台的呢？这件大事出现在威尔金森的工厂大量生产火炮的第二年，即1775年。这一年，他正式开始与瓦特做生意。威尔金森将他的新的火炮制造技术与瓦特的蒸汽机结合了起来，这项发明不但直接引领了工业革命，还使得许多其他的新机械都巧妙地用上了蒸汽动力。 JJeJGiokfnbw3B7K6o2tCCCx1rMs8xFokHX9/3m6mUOZ/VVfNtQlr01EucFg9Kbn