工业史：从作坊到现代化工业生产——零件可互换的时间线梳理

从作坊到现代化工业生产——零件可互换的时间线梳理

【第一阶段，酝酿期】18世纪

（一）从枪械的大规模制造需求，引发了零件可互换的构想

在18世纪，制枪被认为是一种非常熟练的手工艺品，枪支，包括手枪和步枪，都是手工制作的。这样，每把枪都是独一无二的，枪支破损不易维修。至少，该过程既耗时又昂贵，因为必须将枪支带给工匠并按订单维修。

18世纪，法兰西第一帝国的皇帝——拿破仑，需要购买1000支火枪，这在那个时代，无疑是一项大工程，有脑瓜子灵活的人曾给拿破仑提议，可以把枪械的生产制造过程先零部件化制造，之后再将各零部件装配组装到一起。拿破仑听了这个提议后，回答道，不可以这样搞，这样搞的结果会造成到了最后就很少有人能够独立组装一支枪了。最终，生产制造过程零部件化这一提议在拿破仑这里没有得以实现。

（二）法国枪械制造商的构想、失败及其与美国的渊源

在18世纪中叶，法国枪械制造商勒布朗（Honoré LeBlanc）建议枪支零件采用标准化图案制成，以便所有枪支零件都采用相同的设计，如果损坏则可以轻松更换。勒布朗的想法并没有在法国枪支市场上流行，因为竞争的枪手们清楚地看到了它会对他们的工艺产生影响。Honoré LeBlanc的构想因为行会的反对而未推行。

1789年，托马斯·杰斐逊（Thomas Jefferson）时任美国驻法国大臣，参观了勒布朗的工作室，他的方法给托马斯·杰斐逊留下了深刻的印象。尽管勒布朗（LeBlanc）做出了种种努力，但任由另一个人（伊莱·惠特尼Eli Whitney）将可互换零件完全引入美国乃至国际武器工业。

（三）18世纪其他有关零件标准化的尝试

据《技术陷阱》，18世纪20年代瑞典工程师克里斯托弗·波勒姆（Christopher Polhem）使用可互换零件制作了一座木质时钟。

在伊莱·惠特尼（Eli Whitney）之前，英国海军工程师塞缪尔·本特姆（Samuel Bentham）较早地率先在生产用于帆船的木制滑轮时使用制式零件。

【第二阶段，尝试期】18世纪末

（一）零件可互换的进一步发展起源于美国发明家伊莱·惠特尼

生产方式从手工生产方式到大批量生产方式的变革源于伊莱·惠特尼（Eli Whitney）提出一个影响深远的生产理念——零件可互换。

零件可互换就是我们今天的标准化零件的概念，标准化生产是今天大批量生产方式的基础，因为技术标准化才实现了生产过程的标准化，才实现了大批量生产。技术标准大大降低供应链上下游企业之间的协作成本，提升了效率，企业内部的工艺技术标准化，也极大地提升了协作效率。

今天人们已经习以为常的技术标准化是从一个典型事件中被人们认识到的——惠特尼1万支滑膛枪订单。

（二）伊莱·惠特尼启动零件可互换尝试的背景及过程

1、事件背景。

1798年，美法战争爆发，刚刚经历了独立战争（1775年—1783年）的美国，枪支弹药非常短缺。于是，政府转向民间企业发布枪支订单，以便于在2年之内生产出4万支滑膛枪。经过一系列的招商，政府跟26家供应商签订了合同，但只能完成3万支，还有1万的缺口。当时并无工厂的伊莱·惠特尼接下了缺的那1万支枪的订单。

惠特尼提出了一种新的制造步枪的方法：不是用一个专业的工匠来制造一整把枪，而是将任务分配给几个技术一般的工人。如果他们辞职，他们会更容易训练，也更容易替换。每个工人都将学习如何制作一个零件。他们将使用由惠特尼设计的高精度专用机床。这些工具将是如此精确，以至于各部分实际上是相同的。每一部分都可以互换地装在惠特尼工厂生产的任何一支步枪上。一旦步枪的碎片被制造出来，把它们组装成成品武器简直就是一个瞬间。现成的可互换备件将使任何士兵都有可能自己修理步枪。”

1798年6月14日，惠特尼与美国 *** 签订了一份合同，在两年内交付10000支步枪。坏消息是，惠特尼未能如期履行完他的交付责任，供应短缺和黄热病的流行打乱了日程安排，所以他制造机床的时间比他原先想象的要长。但是好消息是，与法国的战争从未爆发过因此，惠特尼获得了更多时间，比最后期限晚了八年。

2、同时代的手工生产方式

手工生产方式的效率。这里有两个问题：一是，26家供应商2年才生产3万支枪，平均每家每年才生产577支/年，效率实在不高。显然是因为那个时代还是【手工生产方式】时代，效率不高是普遍现象。二是，当时并无工厂的惠特尼接下的1万支枪的订单，折算下来每年要完成5000支，是其它工厂产出的10倍，为什么他敢接？那些工厂生产不出来加人不就行了？这是现代基于各行各业完整产业链条件下的思维，拿到订单就没有生产不出来的东西，那时远没有这样的条件。

手工生产的方式的特点及弊端。那个时代手工生产方式不只是用手不用机器的问题，而是技术条件有限情况下生产方式的局限。与今天机械化生产标准化的零件不同，当时即没有标准件的概念，也没有机械化生产的技术条件（如机床、量具等），制枪的过程不是制作好每个零件再组装成一把完整的枪，而是边制作零件边组装。手工制作的零件尺寸偏差较大，装配时需要不断修磨。制作零件的过程就是不断地打磨以适配尺寸存在偏差的零件的过程，打磨到刚好能装上并能发挥良好的性能才算制作完成，再依次制作下一个零件，直到所有零件都制作完成，一把枪也就制作完成了。每一把枪的性能都是依赖于枪械师在制逐个零件修磨调试过程中的经验判断，但掌握这种技术的师傅也少的可怜，所以，有订单也接不下。

3、时任总统支持零件可互换尝试的过程

前文说到，1798年，惠特尼与美国 *** 签订了一份合同，在两年内交付10000支步枪。到1801年1月，其它26家供应商的3万支枪已交付，而惠特尼一支也没有交付，面临军事法庭起诉的危险。

由于惠特尼未能生产出所承诺的任何一种武器，因此被召集到华盛顿来证明他使用美国国库资金的合理性，参加此次会面的政府官员中包括即将离任的总统约翰·亚当斯和现任总统杰斐逊。当时的美国总统托马斯·杰斐逊，曾经在他任驻法大使区间，参加那家法国军火商勒布朗（Honoré LeBlanc）的实验室，并对零件客互换的制造枪械的理念留了深刻的印象。

1801年这次与总统会面中，惠特尼抓住这次展现其理念的机会，他演示的方式非常巧妙。他带了十把枪，在总统及一众高官面前，将枪拆解成最基本的零件，并打乱次序，随机挑选零件，快速地重新组装了一把。因为零件是可互换的，对他来说，这很容易。这让在场的官员大吃一惊，这彻底打破了他们对制枪方式的认知，在此之前，滑膛枪在他们眼里是完全一体化的，坏了要换整把枪而不是换一个零件，这种随机装配的方式他们即未曾闻，也未曾想。

虽然后来证明，惠特尼的演示是伪造的，他事先已经标记了零件，并且它们不能完全互换。尽管如此，这次演出使惠特尼赢得了广泛的声誉，并获得了新的政府支持，政府官员意识到，这是一种革命性的改变，于是，政府开始给他大量拨款以支持这种制造理念的推进。。惠特尼因此获得了更多的时间和资金来改善自己的设备（车床）和加工工艺。至此，零件可互换概念从理念向实际行动迈出了关键一步。

（三）惠特尼使用可互换零件来解决大规模生产问题的技术细节

1、零件可互换理念

单件式生产是对手工作业方式的适应，而不是因为手工作业速度慢，根因原因是只有逐个零件修磨，成品的质量才有保障。而当时并无工厂的伊莱·惠特尼之所以敢接这么大的单子，是因为他仔细研究了滑膛枪的构造，并提出一个大胆的构想——制作可互换零件。

他把枪分为几个结构，又把每个结构拆分成最基本的零件，计算好一把枪所需要的各零件数量，同时分别生产可互换的基本零件，最后再把这些零件组装成完整的枪支。这便是我们今天已习以为常的标准化生产，但对那个时代的人来说很超前。

2、零件可互换理念的尝试

通过生产可互换的零件来实现批量化生产零件及高效组装，是惠特尼的解决思路。他是这么想的，也是这么做的。收到的国防预算后，他按分区生产各个零件的布局建立了一家制造厂。为了保证加工零件的精度，他还设计了「专用机床」和「夹具」，这台专用机床是世界上第一台卧式铣床（我们熟悉的工装夹具也是那时开始用的）。

惠特尼应用互换零件的历史背景。这在当时是开创性的，车床是“机器之母”，据马克思《资本论》记述，被誉为“车床之父”的英国人亨利·莫兹利1797年发明了车床的核心部分刀架，被认为是机床的发明的开始，惠特尼为滑膛枪设计的机床，在那个时代是非常超前的。从另一方面，这也间接说明那个时代的条件确实有限，作为最原始形态的机床受制于有限的材料、机械加工技术，加工能力自然就有限。

3、惠特尼应用互换零件的实际效果。

惠特尼的应用情况很不理想，靠机床批量加工的零件无法互换，组装过程仍然需要不断修磨，但他没有熟练工人来做这事。第二年合同期限快到的时候，其它26家供应商的3万支枪已交付，而惠特尼一支也没有交付，惠特尼碰到的是一个质量问题是：零件误差与配合关系的问题。

【第三阶段，萌芽期】19世纪到20世纪初

上一节提到，1799年惠特尼提出的零件互换概念并没有很好地帮助他完成1万支滑膛枪的订单，他碰到了问题——零件加工误差过大，而无法高效组装，且零件配合不好导致枪械性能不佳。

该问题在18世纪不断得到解决和完善，并最终在1902年之后展现雏形。

（一）惠特尼遇到的过程质量问题的源头——误差

惠特尼利用零件互换理念生产滑膛枪碰到了什么问题？

从技术上讲，惠特尼碰到的机械加工的误差和配合关系问题，这是与加工精度有关的两个不同的概念，一个是描述同个部位的零件加工后实际尺寸与设计的公称尺寸之间的差异叫误差，另一个是描述组装到一起的不同部位的零件之间的尺寸关系叫配合关系。

1、误差与配合关系的概念

误差。误差描述的是加工后的零件一致性的程度。受种种因素影响，零件加工过程不可能做到绝对的精准，总会存在尺寸、形状、位置等几何参数误差。零件加工误差过大会导致一系列组装问题，偏大的配装时零件相互干涉，尺寸偏小的零件装配后间隙过大，需要修补或更换后才能组装，不但影响无法高效组装，还会影响产品的机械性能。

配合关系。与误差的概念不同，它是不同零件的装配时的尺寸匹配的概念，是组装到一起的零件之间的间隙关系。零件组装到一起，有的需要松一些、有时需要紧一些，还有时需要松紧结合，这即是三种基本配合关系。它与装配需求有关，比如滑膛枪的枪栓要装在枪膛里，还要能够在其中顺畅滑动，这便是装配需求，这就需要枪膛（孔）和枪栓（轴）预留一定间隙，这个间隙不是误差导致的，是产品功能需要。间隙>=0的配合关系叫间隙配合，有些零件之间需要紧密且不能有，比销、键等零件要比孔内径大一些，通过压装（比如用锤子打）或热装，这种间隙<0的配合关系叫过盈配合，锤子的木柄和锤头即是这种配合关系。还有一类场景叫过渡配合，即需要有限度的滑动和一定程度的紧密连接，比如滚动轴承。无论是哪一种配合关系，间隙过大或过小都会有可能影响产品性能。

2、质量问题的源头

对于机械产品而言，产品的质量没有满足需求，归根结底不外乎两个方面的原因，一是零件加工不符合设计要求，这是误差问题；二是零件符合设计要求内但组装后的综合性能不符合要求，也就是设计时配合关系设计不当，包括没有充分考虑实际加工误差，这是配合关系问题。

误差与配合关系是伴生关系，误差的大小还会影响零件间的配合关系，比如需要间隙配合的孔和轴之间的设计尺寸留了0.1mm的间隙，但轴加工误差上限达到了0.11mm，则肯定会导致无法装配的问题，但如果加工误差能控制在0.05mm，则间隙配合的预留间隙可再减少一些，以提升产品性能。这就需要在零件（或产品）设计之时，要在充分考虑加工误差的情况下设定间隙。在很多场景下，误差控制的越小，零件的间隙为误差留出的余量就越小，表现的性能就越卓越，比如对于发动机来说，这就意味着更高的效率和更低的功耗。

因此，一方面，需要在设计时充分考虑加工误差，避免因加工误差导致质量问题。另一方面，也要根据配合关系（性能）的需要改善过程的加工能力，缩小误差，但通过这意味着增加成本。像汽车这样的有着几万个零件的产品，涉及到的各种配合关系是非常复杂的，设计时充分考虑每一种零件的加工精度和配合关系，做到恰到好处是必要的，也是非常考验设计能力的。良好的产品性能有赖于此，有竞争力的（质量）成本也有赖于此。

事实上，机械零件误差和配合关系的概念可以推广到更广泛的生产过程中。比如，电子元件的焊接——利用相应的设备，焊料在即定的温度条件下融化并将元件与基板焊接在一起这一过程中，设备输出的温度的偏差即是“误差”的概念，而什么温度范围内焊料的熔融效果最佳则是温度与焊料的配合关系问题，寻找最佳的配合关系就需要将温度的波动（误差）控制到尽量小。

于是，从概念上，我们可以将所有的质量问题归结为两大源头——过程的作业误差和过程设计上的作业要求与业务实际需求之间的配合关系。

3、误差是质量问题的源头，是质量控制的核心。

后来的各种质量管理理论、方法和工具都直接或间接地为解决误差的控制和配合关系问题而被总结出来的。在没有这些方法和工具之前，惠特尼们是如何解决的呢？

（二）零件定制化到可互换的历程

我们不妨看一下，螺丝钉是如何一步步成为可互换的通用标准件的？

如果你是惠特尼你会怎么办呢？已经拿到订单了但没有熟练的工人，你大概会买各式各类的机床和设备，或是直接找一家有资质的供应商来帮你生产。但惠特尼买不到，1799年“机床”这个词都还没有呢。从螺丝钉以及螺栓和螺母这些最基本的螺纹紧固件的通用化过程可见一斑。

1、机械设备及机床的发明

机床的发明及基本的机械加工技术的发端。1797年，英国机床商人亨利·莫兹利（Henry Maudslay被马克思誉为“车床之父”《资本论》）发明了车床的核心部分——刀架，被认为是机床发明的开始。1810年前后他利应用滑动原理发明了滑动刀架，解决了制造精密圆柱体和螺丝的技术难题。他设计制造的大型螺纹切削车床，使螺纹切削机的精度得到重大改进，为此，他还设计一台精度相当高的千分尺——“大法官”，并被认为是精密测量仪器的开端，这个时候才有适惠特尼需求的设备，不过已是10年之后的事了。1810年前后，理查德·罗伯茨（Richard Roberts）在改造凿穴机的基础上制成了钻孔机和切削机。1821年，几位工程师制造出一部金属刨，又经罗伯茨进行改进使其基本定型，不久，他又发明了镗床（镗床是大型箱体零件加工的主要设备，用于螺纹及加工外圆和端面等）。圆柱体及螺纹、钻孔和切削技术等基本机械加工技术的发明让标准螺栓和螺母的出现透出了曙光。

Mausdlay 发明的台式千分尺“大法官”

复制零件的标准板。1830年前后，罗伯茨首次制造标准型板用以复制机器零件，在这之前，每一台机械或机床都是专门设计，独一无二的。这是一个重要的开始，就像滑膛枪工匠一样，其它的机械制造同样是单独制作每个零件以定制化地制造一台机械。“机器是原始的，通常由手工或步行提供动力。没有标准量具，零件必须单独设计。这意味着螺母和螺栓将作为一对安装，并且不可互换（译自惠特沃斯协会官网）”。制造标准规格的设备不是没有想而是做不到，因为制造标准的零件都还不具备条件，这也是为什么亨利·莫兹利的千分尺“大法官”并未推向市场。要想制造标准零件先要有标准型板，这很合乎逻辑，罗伯茨的尝试将零件可互换的理念在更广泛的应用领域又向前推进了重要一步。

2、测量设备及工具的发明及应用

真实平面及精度百万之一英寸的测量工具。1835年，曾在莫兹利工厂做过学徒的约瑟夫·惠特沃斯（Joseph W hitworth）发明了可量出万分之一英寸误差的螺纹规，并建立了自己的测量系统，使机械工程能达到相当高的精确程度。1840年，他发表了他的第一篇论文“平面金属表面或真实平面”，采用刮（而不是当前普遍采用的研磨）的方式制作平面，他指出“所有卓越的工艺都取决于使用真正的平面”。

惠特沃斯（Whitworth）的“ 百万分之一英寸” 测量设备

至此，钻削、铣削、切削等加工能力的机床，标准板，真实平面、精确的测量工具等制造标准零件的技术逐步发明出来，就像集齐龙珠可以召唤神龙一样，赵来越多的零件和机械开始标准化生产而不再逐个定制。惠特沃斯还将其发明的通止规、螺纹规等测量工具并推向市场并得到广泛应用，标准型板、零件及设备开始走进工厂。

3、统一规格标准的先例

著名的惠氏螺纹标准公开发表。1841年，著名的机床商人&机械工程师约瑟夫·惠特沃斯（Joseph Whitworth）在土木工程杂志上发表了一篇关于通用螺纹系统的论文指出，标准量规，等级为固定刻度，应用作尺寸的恒定量度。这将使任何制造商能够以更低的成本批量生产标准的，可互换的机器零件。螺纹紧固件是应用非常广泛的基础零件，当时的众多制造商已经开始生产自定义规格的标准件。惠特沃斯收集了各种螺纹件，并利用其平均螺距和深度提出了通用螺纹——螺纹的深度和螺距恒定比例，使“V”螺纹的平均角度为55度，并且为各种直径指定了每英寸的螺纹数。这便是顶顶大名的螺纹标准——“惠氏螺纹标准”，这一标准提出后迅速被众多制造商广泛采用。

螺纹紧固件是最常用的基础通用零件，标准规格的螺纹紧固件的广泛应用不但极大地示范了可互换零件理念的优点，也会零件标准化的解决方案——制定统一的规格并公开发布标准，蹚出了一条可行的路，示范意义重大。1904年，惠氏螺纹以BS84正式作为英国标准颁布（BS84，惠氏螺纹，B.S.W.和B.S.F.）。这一统一制式螺纹，因其具有明显的优越性，很快被英国和欧洲采用。其后，美国、英国和加拿大协商将惠氏螺纹和美国螺纹合并成统一的英制螺纹。这是后话。

（三）误差控制与配合关系的解决方案——极限与配合标准的发布

最早的国家标准化组织—英国工程标准委员会。随着钢铁及机械加工技术的发展，钢铁得到大量应用，但问题也随之而来，规格太多，即不便于选择，也不利于设计及批量生生产。1897年，英国钢铁商人斯开尔顿在泰晤士报上，建议钢梁的生产规格和图纸应系列化，标准化，以便于设计，生产和使用，催生了第一个全国性的标准化机构—英国工程标准委员会于1901年成立（1931年改名为英国标准学会BSI）。

世界上第一个国家标准。1903年 3月，英国制定了世界上第一个国家标准--英国标准规格(BSS)'轧钢断面"，将结构钢截面尺寸由 175个减至 113个，将钢轨规格由 75个减至 5个，估计每年可节约 100万英镑。到了 1914年，英国钢铁标准规格在英国海军部、劳氏船级社、印度铁路得到了广泛采用。 1914年至 1918年第一次世界大战期间，标准化的最大贡献是制定了一批飞机材料标准。战争即将结束时，温斯顿·丘吉尔在一次会议上指出："对飞机材料进行如此深刻的标准化，说明了这样一条真理，即它们不仅在战争年代，而且在战争结束之后，都应当予以重视"，如此显而易见的道理在今天已毫无新意，但在当时却意味着巨大的进步。

误差设计及控制的解决方案——极限与配合标准。1902年，英国纽瓦尔公司为了满足大量生产具有互换性零部件的需要，制订编印了公差和配合方面的纽瓦公司标准—“极限表”，这也是最早出现的「公差制」，该标准于1906年分布为英国标准BS27。这一标准与惠氏螺纹标准等零件制式标准不同，它不用来规范具体零件的加工尺寸的，它是零件设计标准的标准，是规范零件设计的，是用来规范每张图纸上的每个尺寸的公差的。同一尺寸的螺栓与螺母用在拖拉机上与用在航空发动机上的精度要求是不同的，具体的精度要求要在设计时给定恰当地公差范围以便于按照适当的精度来加工，以满足组装场景的需要，极限与配合标准即是为各类零件的尺寸公差设计提供参考的。

这一标准的发布，意味着误差和配合关系的控制问题有了一个普适的基础解决方案——设计时设定允许误差的极限及配合标准（并在生产过程中进行控制），的做法才开始普及，它意味着零件互换走上了更快的发展道理。

（四）小结

误差是过程质量控制问题的总源头（来料不良是供应商的设计或过程误差控制问题），机械会磨损、人会疲劳（还有情绪），无论是机械作业还是手工作业，作业的一致性越好，质量表现就会越稳定。《极限与配合标准》的发布为误差的控制提供了基础解决方案，基于公差控制的需求，机械及机床行业相继发明了大量的基础配套设备，各式各样的机床和测量被发明出来，通用可互换零件快速发展，促进了工业发展。

之后，随着英国及后来的各个国家和国际标准化组织的成立及一系列技术标准的发布，制造业开启了标准化零件生产全面推进的新时代，生产效率持续大幅提升，也为大批量生产打下了坚实的基础。1913年左右，福特汽车、通用汽车先后全面实现零件可互换，一年后的1914年，福特汽车发明T型车流水线，福特汽车为代表的汽车行业进入了大批量生产方式的时代，工业发展史上一个辉煌时刻到来了。

可互换零件：https://www.sohu.com/a/452454688_120457779

两次改变世界——伊莱·惠特尼的故事

零件可互换概念的提出——大批量生产方式的渊源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/535086219

质量问题的源头—误差控制和配合关系问题的解决方案：https://zhuanlan.zhihu.com/p/544894393