2.31 第二代车床

    机械实验室所处的位置正好在整个皇家实验室的西边，距离海边尚有近三十里路程。由于制作新车床所需要的铁锭与毛坯件都需要直接从铁厂与铜厂运送过来，因此早在实验室修建之时，李不伟就让人修了一条简易的小路。这条小路从机械实验室一直通向海边的一个简易码头。李不伟在规划这条小路的时候也曾费了一番脑筋。因为随着日后的发展，货物运送的问题必须要解决，这不仅仅是皇家实验室与外界的物资运送，而且实验室内部的物流也需要加以考虑，当然李不伟早已有了全面的计划了。

    再过一日，第二代车床的所有零件都将加工完成。这些零件有一部分是直接铸造而成，例如底座与一些保护性的外壳，另一有部分是通过简易的铣床制作而成，其余的大部分则是已有的那台车床加工出来的。旧车床日夜不停地运转，仅是齿轮与轴承就损坏了好几套，更别说刀具了。这二十多天下来，用报废的刀具就已近六十多把。不过李不伟发现了一个现象，就是这些刀具大都是在前十多天损坏的，等到最近的八九天以来，刀具崩断的现象大为减少，而且刀口的刚度与硬度也大为提高，显然杨万景等人又找到了更合适的材料，或是重新改进了刀具的制作工艺。至于驱动车床时转动绞盘的那些人，此时也早已更换了好几拔，近一百多人中超过半数被磨得双手起泡。不过这些付出都有所回报，第一台车床的制成品虽然合格率甚低，但也终于能从里面挑出三套精度最高的零件了。

    李不伟原以为车床最关键的零件是变速箱与丝杠，因此在新车床的制造过程中对这二者都极为重视，后来等他对宋朝的加工技术了解得更多一些，才知道凡是容易铸造出来的零件，工匠都有办法将其修正到基本正确的尺寸要求，当然最终也能达到自己所要求的形位公差。如此看来，倒是跟刀与进刀系统需要多做些改进，而且一些装夹工具也要重新设计才行。不过好在有了范东来等人的协助，这些改进计划没几天就变成了设计图纸，到了今日已有成品的零件加工出来。

    至于齿轮的加工工艺，也有极大的改进。前些日子，铁厂的胡永谦又将球墨铸铁的铸造方法进行了改进。毕竟这种新材料对于铁厂的工匠来说并不熟悉，再加之众工匠在此之前都没有试铸过精度要求如此之高的零件，因此要找到正确的方法也着实费了些时日。目前刚生产出来的这批齿轮，其精度要较上次已高出许多，当然这也归功于范东来等人想出的新式加工方法。这种方法就是，先制作出一批精度较高的模具，再铸造出留有极小加工余量的齿轮毛坯，此时的齿轮比实际尺寸要稍大一些。然后将这批齿轮运到实验室进行二次精加工，精加工的方法是采用砂轮磨制齿轮的渐开线曲面。

    在此之前，李不伟已让人在临安最好的烧瓷厂中订做了一批砂轮，这批砂轮的纵截面是渐开线型的，正好与齿轮的齿面相吻合，而且材质是从浙江运过来的石英砂，自然可以满足铸铁件的磨制。不过这种砂轮的修正极为费时，石英砂的硬度已达到莫氏硬度值7，因此一时难以找到形状合适的修正工具，只能用天然宝石进行砂轮圆周面的修正了。砂轮机仍然是手工驱动，只不过已不再使用齿轮传动，而直接用皮带将驱动轮与砂轮的传动轮连接起来。砂轮机还设计了精确的木制定位装置，以手工画出来的渐开线作为基准，每磨制好一个齿形之后，再将工件转动一定角度，继续下一个齿的加工。以这种加工方法所制作出来的齿轮，其精度要比直接铸造所得的高出许多，而且其表面刚度也大为提高，与上次的那批铸造齿轮比起来不知要好上多少倍。

    最近一段时间以来，李不伟的心情好了许多，甚至可以说近一年来他也从未像现在这般轻松，一是因为周依依既然已经知道了自己的身世，却始终与往常一样对自己关怀备至，甚至还较往日更为温柔体贴。二是因为新车床的制作极为顺利，而且蒸汽机的设计又经过几次改进，几乎可以说是完美。李不伟眼看着诸事都向着自己事先设想的方向发展，又怎能不欣喜若狂？

    这一日清早，所有车床零件都已制作完毕，李不伟终于忍不住兴奋，笑道：“不容易啊，一个多月了，终于能开始组装第二批车床了。”说着，便马上就要带着众人前去安装。范东来一旁笑道：“李大人，为了尽可能地提高第二代车床的精度，我们按您所说的办法，将一些重要的零件都制作了几十套，更有些如丝杠等已加工了近百件。另外，大人在这几日忙着编写车工手册的时候，我们已将这批零件进行了测试。而测试的方法就是实地组装，到了今天早晨已有一台已基本装配完成，估计现在正调试进刀与退刀部分呢，这次的三台车床总共准备了近三十套进刀装置，此时正在找出配合精度最高的一套。”由于范东来与史可等人也参与了新车床的设计，自然知道其组装方法，因此众学者每制作出一个零件之后，都要现场组装一番进行测试。

    李不伟听说此时已有一台车床组装完毕，更是等不及了，马上带了众人直奔机械实验室而去。刚一进入实验室的大门，就见靠近墙边的地方已有摆放了一台车床，与第一代的车床大有不同，不仅加上了齿轮箱的保护外壳，更在齿轮箱上设计了自动加油润滑的功能。虽然齿轮箱现在仍不是油浸式的冷却润滑，但也有了基本的滴油润滑功能。这台新车床已初具模样，六根粗壮的木桩被深深地埋在地下，上面固定了铸铁基座与车床的主平台，平台上面又是各种极为复杂的机构。此时已有两名学者正拿着新制造出来的卡尺测量进刀架的精度，显然已是最后的调试阶段了。

    由于新车床的主轴与轴承均已采用车床加工，因此其动转精度自然要比第一代产品好上许多。李不伟并不担心这些，他最关心的还是整个车床主体的形位公差，也就是说主轴与导轨的平等度、主轴与尾顶尖的同轴度、跟刀架移动时的平顺性、以及刀具与工件的夹装机构是否定位准确。李不伟主要看了一下导轨平台，只见这平台极为光整，比上次的不知道要好多少倍，他着实吃了一惊。因为上次的平台导轨是铸造出来，然后众工匠又用刮刀进行手工修正，虽然也使用了一些平面修正工具，但又怎能及得上眼前这台车床的导轨这般光滑平顺。范东来在一旁道：“大人有所不知，我们先是按着预先设计的方案制作导轨，后来等到加工齿轮的时候，突然又想到一种更好的办法，因此又专门制作了一个手工磨床。”李不伟奇道：“手工磨床？难道这平台是用磨床修正而成？”范东来笑道：“正是，不过这也是最近八九日的事情。当初我们与大人所设计的手推式磨制工具虽然也能进行平面的磨制，但后来在制作齿轮之时，石大人又有了新的想法，因此才临时制作了一台磨床。眼前这台车床的导轨正是采用砂轮磨制，经过多次定位找平之后，又用刮刀反复修正，其表面粗糙度与平面度已完全满足要求。”

    说到此时，李不伟忽又想起在十多日之前，范东来的确曾经提起过磨床之事。李不伟当时因为忙着研究笔记本电脑的充电一事，对此也没多加留意，只是以为范东来等人要为推进式磨制器做一个支持架而已，谁知道这几人竟然做了一个真正的磨床出来，而且看眼前这零件的情况，那磨床必然设计得极为精妙。范东来又道：“其实在烧制最后一批渐开线砂轮之时，我们又另外制作了一种较大型的砂轮，这种砂轮正是用于加工导轨的。”李不伟自然知道砂轮磨制出来的金属面，其表面光洁度已比玻璃高出许多，只是要达到这种要求，对于砂轮的转速、磨床的精度、以及砂轮本身的精度都有极高的要求。也不知道范东来等人是采用了何种方法磨制的，不过看这磨制质量，虽然距后世的磨床还差得很远，但比起上次的手工刨磨已好上许多了。他一时想不明白，又道：“用砂轮磨制自然是最好的办法，只是你们如何控制砂轮的运行轨迹呢？如果砂轮本身不是以平面为其准进行移动，这磨制出来的工件自然也不是平面了。”范东来笑道：“这还是石大人想出来的办法。”说着，又看着石仲秋笑而不语。

    石仲秋看到众人一时都望向自己，忙站了出来道：“下官想出的办法原本也不难，仍然是先用硬木条制作出平面，又用多个木条制作出一个滑动的架子，最后再以木架为基准进行定位磨制。只是宽大的砂轮转动起来摇晃剧烈，显然是大人所说的******问题了。后来我们又经过多次修正，这才终于稍有缓解，但因为砂轮是由人工驱动，因此转速却又上不去，大约每分钟只有一千多转，也就是每秒种约二十转，但好在磨制出来的工件还算不错。”李不伟听得讶然，这种设计与后世的磨床的原理基本差不多，只是众学者又参考了木制铣床的设计，竟然做出了简易的手动磨床，他忽又想起第一台车床的丝杠也是先以木头为原始模具，然后才改为金属制造，便笑道：“看来要制作一件新工具，这木工是必不可少的了。只是诸位能够在短短几日间就将这磨床制造出来，也着实不容易。”石仲秋忙道：“其实这木制磨床是由郑大人帮着做出来的。”李不伟听得一怔，过了一会儿这才想起石仲秋所说的郑大人正是郑永江。郑永江此时已加入了皇家实验室，专门负责机械模型的制作，李不伟也曾奏请理宗给他封了一个模具设计总管的官职，虽然这官职并不在大宋的正式编制之内，但已能每月领响，众人间自然也以大人相称了。

    几人谈论了一会儿，又说及工件的定位问题。史可道：“其实李大人上次设计的卡盘已是最为合理的方式，所以此次对于抓夹装置没有太大的变化，只是将加工工艺与加工流程改进了一下，如果毛坯件能满足基本的精度要求，再由多次砂轮磨制较正之后，已完全可以准确定位与抓紧。至于尾座、鸡心夹与顶尖等极为重要的零件，也重新进行工艺设计。目前整个车床的位置公差基本可以控制在1毫米之内。”他说这话时神色间颇为得意。李不伟听了更为吃惊，心想以宋朝的技术竟然能够达到这种精度，简直不可思议，会不会是他们的测量方法有问题呢？不管如何，等到零件加工出来之后就知道了。

    此时，车床的主体部分已安装完毕，众人又开始安装外置的驱动机构了。这次的车床仍然是采用人力驱动，由于使用了车床加工而成的轴与轴承，车床主轴的驱动已不像上次那般费力。正因为如此，新的绞盘已将直径增大了一些，又将绞盘数量减少为四个，改手摇式为脚踏式。当然，这种外置驱动机构也只做了一台，按李不伟与众学者的计划，蒸汽机的制作将由这台车床完成。倘若蒸汽机可以正常运转，并且能够输出足够的转矩，便可以将车床改为蒸汽机驱动。目前已安装好的这台车床虽然仍是采用人力驱动，但动力输入轴已采用双键连接，随时可以将蒸汽机的输出轴接上。眼看着这台车床马上就要全部安装完毕，范东来忍不住问道：“李大人，新车床的安装就要完成了，不知道接下来要怎样试车？是不是要先制造出铣床、镗床、钻床等其它机床？”李不伟略为思索，点头道：“应该是这样，虽说蒸汽机可以为车床提供动力，但是没有镗床等设备，要制造出蒸汽机也是不易，不过等到蒸汽机制作出来之后，各种机床的生产能力与加工精度必然大为提高，又可以制造出更为高效的动力机械，这样的话，不一定采用蒸汽机进行机床的驱动了。”李不伟所说的那种更为高效的动力机械，自然是指电动机与汽轮机了。但他也知道汽轮机的制造极为不易，再说汽轮机也不能直接用于驱动车床。不过水轮机的制作倒不是难事，到时可以用水轮机来驱动发电机，然后将机床改为的交流电动机进行驱动。但李不伟也知道这个目标要实现起来并非易事，与电动机相比较而言，发电机所用的铜线要求更高，而且要有较好的绝缘性能，另外，永磁体也必须能够批量制造，这样铜线才能做切割磁力线运动，才会有感生电动势产生。但其中最为关键的问题是，以目前的情况是无法制造高速轴承的。没有合适的材质与加工工艺，普通轴承根本无法满足高速转动，更别说还要带负载了。其实，李不伟还有另一个想法，就是直接使用车床来制作蒸汽机的缸套与活塞，虽说这样制作出来的零件相互配合时会存在一些误差，但也是一种可行的办法。李不伟正如此想着，忽听史可在一旁说道：“李大人，虽说目前没有镗床，但蒸汽机的缸体如果不是很长，而口径又比较大的话，可以用内圆车刀临时代替镗刀进行加工，这样制作出来的缸体内表面虽然存在些精度问题，但又可以将现有的砂轮机改装为内圆磨床，从而实现缸体的高精度磨制。”李不伟听得一怔，心想果然英雄所见略同，自己刚刚有了这个念头，就有人在一旁讲了出来，便笑道：“史大人说得也有一些道理，其实蒸汽机对于精度的要求并没有车床高，再说了，即使这次制作失败也没关系，大不了等镗床制造出来之后重新开始便是。如果众位能够找出制作缸体的办法，不妨先试试吧。”

    其实范东来等人自从知道了蒸汽机的原理之后，早已有些等不及了。即使李不伟没有如此安排，他们也必会偷偷先试着制作一台，如今既然已决定先试制一台蒸汽机，众人不禁都齐声叫好。李不伟又转向范东来问道：“范大人，其它几种机床的设计进展如何了？”范东来道：“大人在前两天看过的那批传动变速系统的图纸已是最后一个设计内容了。到今日为止，我们已完成了镗床、铣床、磨床、钻床、刨床的设计，只是这些机器虽然设计起来容易，但有一些零件却无法加工制作，例如李大人所说的麻花钻头与铣刀，这两种刀具的制作就是一个大问题。”李不伟点头道：“铣刀的制作倒不用担心，大不了可以考虑盘式铣刀。但钻头的问题一时还真不好解决，不过先将钻床制造出来吧，至少现在的钻头还能钻动木头吧？”范东来笑道：“要钻木头自然是不成问题。其实如果木制摆钟要批量生产的话，这些机床完全可以用来加工木头，而且精度也要比以前高出许多，至于生产效率就更不用说了。”李不伟听得心中一动，忽然闪出一个念头来，但他随即又觉得此事暂不急着考虑，目前最重要的是先将眼前这三台车床安装完毕，然后再制造出蒸汽机。这样一来，零件的生产速度必将大为提高，如此循环往复，机械加工的效率将以指数式提升，大宋的工业时代也将到来。

    李不伟想到这些，眼前又浮现出自己以前在大学的工厂实习之时，满厂房的各种机床，整个车间只有轰鸣的机器声，又不时有工人师傅们大声训斥之声夹杂在其中，如今这一幕要提前几百年实现了，他越想越是兴奋，只觉得用不了多久，整个机械实验室就会拥有各种大型机床，而火炮的精密零件也将从这里制造。李不伟正自得意间，忽又想起一事，这车床虽然制造出来了，但总需要有人cao作吧？现在看来，车工的培训也是一个大大的问题。想到此处，李不伟又问道：“范大人，我记得第一台车床的cao作是由五个人进行的，其中还包括范大人与史大人，而另外三人也是从众学者中挑选出来的。如今新的车床又有三台制造出来，可否找到合适的人选？”史可接口道：“第一台车床虽然是由下官与范大人、以及另外三名实验室的同僚共同cao作，但其它几位学者的动手能力也不差，尤其是范大人，平日的一些机械制作大多是由他自己完成。不过长此以往也不是办法，好在我们已考虑到了此问题。这些天来，范大人已从工部所属的各个作坊中找了几十人进行培训，现在这几十人正在旧车床上实习cao作呢。”

    李不伟听他如此一说，也甚感欣慰，又道：“车床的cao作人员一定要重点培训。同样的一台车床，不同水平的车工所加工出来的零件，其精度要差上好几个等级。几位大人既然考虑到了这点，不妨再加把劲，将其它几种机床的cao作人员也都物色上一批。另外，还要招收一批技术最好的钳工。目前这两台机床的安装都是我们几位进行的，如果以后有更多的机床制造出来，自然要由高级钳工进行安装了，其中的重点又是轴承的安装。高水平的钳工安装出来的轴承，其使用寿命也要高出许多倍。”范东来笑道：“大人请放心，工部所属的工厂国手艺好的工匠大有人在。这些人都有过多年的制作与安装经验，虽然他们以前没有接触过齿轮与新式轴承，但如果稍加培训，必然可以成为合格的安装钳工。”

    李不伟看到范东来如此肯定，也放下心来，心想中国古代时并没有精密的机械加工工具，但又能制造出那么多精美的东西，自然是工匠的手艺必须相当出色才行。以目前的情况来看，大宋的合格钳工恐怕要比后世多出许多倍了。想到此处，李不伟不由得点头笑道：“范大人说得有理，如果再需要更多的人手，还可以从民间寻找，工钱按正常的两倍付给，不过保密工作却要做好才行。”他顿了顿，又道：“如今这三台新式车床安装好之后，要日夜加班生产，尽快将其它几种机床制造出来，而其中最为重要的又是铣床。因为有了铣床，齿轮的生产速度与精度将会大为提高。总言之，近期的重点将是蒸汽机的研制与机床的制造。”众人听李不伟如此一说，一时都兴奋异常，只有王思维在一旁低头沉思，心想，虽然实验室的房子是由朝庭修建，但其它的试验与研究的费用却是另算。目前这几台车床的制作已将朝庭拔给的经费花掉大半，倘若要再招收更多的人员，这开支问题又该如何解决呢？话虽如此，但王思维看到众人摩拳擦掌的样子，一时也不好说些泄气的话，心下又在暗自盘算着总要找个合适的机会将此事报与李大人才是。

    李不伟看似胸有成竹，其实有一件事却是让他极为担心，这就是原材料的供应问题。为了制造出三台合格的车床，众人已用掉几十吨的毛坯件。虽然这些毛坯件可以再次回炉熔炼，但按眼前这种生产速度来看，铁与铜的产量必须要尽快提高，否则等到更大型的机械开始研制之时，恐怕会遇到原材料供应不足的情况。李不伟自然知道原材料，尤其是铁与铜等金属的产量对于工业发展起着至关重要的作用，他这几天也为此做了一些准备工作，又在《大百科全书》上查找了一番，心中已有了周全的计划，只是在最终的结果出来以前，他心中还是有些担忧。其实，李不伟虽然心有所虑，但他也清楚地知道以目前的制造技术，能在短时间内取得如此进展已属不易，况且第二代车床的精度多少也有些出乎自己意料，他实在没想到宋朝的手工技术竟然如此了得，虽然机械加工会造成一些缺陷，但也能以手工的方式进行修补，而且丝毫不影响其精度，这也是他万万没有想到的。

    李不伟刚来到宋朝之时，他原本想着大宋再有几十年就将被蒙古所灭，自己既然懂得许多后世的科技，再加上那本超级宝典《大百科全书》，理当为大宋的百姓及朝庭做些事，至少能够使宋朝的军事发展起来，如此便可保得不受侵略。等到火炮试制成功，再与史冀等人接触的久了，他又多少接受了一些收复江北失地的想法，因此有一段时间又在大力发展兵器技术。再后来，第一台车床制作成功以后，李不伟的想法又有所改变。按原历史中记载，南宋在随后的两三年中虽然在四川一线与金国有些战事，但都是些小规模的战役，而且金兵也从未打过长江一线，另有山东李全的南攻长江防线，也是在三年之后的事情了。李不伟了解到这些情况之后，便决定在此期间先大力发展工业，尤其是制造业。等到时机成熟之后，想要制造各种火炮、火枪也不是什么难事，自己便可功成身退，又或者可以辅助大宋的学者继续发展技术。李不伟的这种想法其实也没有错，只是他没有想到人在江湖身不由已，更没有想到自己以后还要肩负着更重大的责任。

    此时已近黄昏，李不伟坐在车中惬意无比，自己现在好歹也算是有专车接送的人了，而且还有一大批保镖每日跟随左右，这在后世几乎是不可想象的。李不伟的亲兵队长正是那日在永久车行门外见到的徐超，他当时记下了此人的模样与名字，后来再找到史冀描述一番，才知道徐超是火炮营中的一员，其职责是负责火炮的安全，因为他此时太过年青，因此史冀也没有立即委以重任，只想着先在军中磨练几年之后，再将其提拔为自己的亲兵队长。而徐超虽然有一身好武艺，却也不因此而有所抱怨，每日训练时恪守本职，深得军中好评。当日史冀听说李不伟想将徐超要了过去作为亲兵队长，当下二话没说便答应了。其实，李不伟对目前的现状还是比较满意的。每日在实验室中有人端茶倒水，往返路上有十几人专门护送，回到家中又有现成的饭菜，这种日子正是他一年以前梦寐以求的。

    又过了一会儿，马车已然停下，车外传来徐超的声音：“李大人，已经到了您府上了。”

    李不伟刚跳下车，便看到一个熟悉的身影正站在大门口向这边张望，正是香儿。见到李不伟回来，香儿原本紧锁的眉头忽然现出一丝笑意。李不伟远远地笑道：“香儿，这几天好清闲啊，几乎每天都能在大门外见到你，要不要再抄些书？”香儿面上一红，低声道：“我这几天刚好有些空闲，便出来得多了些。是不是又有书要抄了？我近来写字的速度已快了许多，相信下一本应该会提前抄完的。”李不伟原是开个玩笑，如今见香儿一脸的认真，一时又有些不好意思起来，忙道：“其实我倒真的有些东西需要抄写，只是这些内容都分散开来，我还没来得及整理，因此倒也不急于一时。”李不伟说的正是从大百科全书中看到的一些机械加工，钢铁冶炼，化学制作等等的知识。这些内容本来是印刷过一本小册子的，只不过那本小册子大都讲些经验之谈，对于详细的理论却未加说明。李不伟这些天来凭着自己的记忆，已经将这些知识中的一部分讲给了众学者，当然也都被一一记录成册。但毕竟记忆的内容并不系统，所以他又决定将其中最为适用的部分抄了下来，然后再批量印制。虽然李不伟也知道系统性地讲授一门学科的重要性，可这些课程的内容实在太多，因此他每次想到抄书，便给自己找些借口回避了过去。

    香儿紧跟在李不伟身边，笑道：“如果又有书抄，那是最好不过，如此一来我便不会再闲得无事，每日傍晚站在门外发呆了。”

    （注：关于加工工艺，以现代的条件是完全可以做出来的，但换到宋朝能否达到如此精度值得怀疑。作者曾搞过三年CAD/CAM/CAPP，但都是对SOLIDWORKS与AUTOCAD等的二次开发，真正的工艺知识不多，希望高手指教）