“工业之米”的千年传奇
文/余风
提要：2000年，美国《纽约时报》曾发起一项“人类纪元以来第二个千年的最佳工具”评选，最终，小小螺丝荣登榜首。看起来毫不起眼的螺丝，为什么会获得如此殊荣？ 回望人类发展的历史，蒸汽机、晶体管、集成电路、计算机等各种伟大的发明曾极大地促进人类社会的进步和生产力的发展。但是，一些不起眼的小发明，同样也影响了人类历史的进程，比如：螺丝。2000年，美国《纽约时报》曾发起一项“人类纪元以来第二个千年的最佳工具”评选，最终，小小螺丝荣登榜首。 人们不禁要问，看起来毫不起眼的螺丝为什么会获得如此殊荣？
“螺丝之父”阿基米德
螺丝，又称“螺钉”，是螺丝钉和螺丝杆的通称，但实际上螺丝钉、螺丝杆是有区别的。螺丝钉又叫木螺丝，前端有尖头，螺距较大，一般用于紧固木制件、塑料件；螺丝杆前端平头，螺距较小且均匀，一般与螺母配套，用于紧固金属、机器部件。 在工业上，螺丝被广泛应用于各个领域，大到飞船、飞机、汽车，小到眼镜、手机、桌椅板凳等的制造，都离不开它，因此它又被誉为“工业之米”。说它是工业的“粮食”，还体现在对就业的带动上。在中国，生产螺丝及相关产品的企业目前已达1万余家，带动100多万人就业。
螺丝的起源，据说与古希腊著名哲学家、数学家、物理学家、发明家阿基米德（约公元前287～公元前212）有关。
阿基米德最为人熟知的，是他第一个发现了浮力定律和杠杆原理，他曾说过一句广为流传的名言：“给我一个支点和一根足够长的杠杆，我就能撬动地球。”阿基米德是一个既善于思索又重视实践的科学家，他亲自动手设计、制造了举重滑轮、军用抛石机等许多机器。其中，就有被称作“阿基米德螺旋”的提水机。
旋压皮带轮“阿基米德螺旋”外形像一个长木桶，只不过这个长木桶并不是中空的，桶内是一个直径约0.3米、长3～4.5米的巨大螺旋。长桶的两头都没有底，桶的外壁安装有脚踏板或手摇杆。使用时，人们将长桶横放在地，桶的一头略微倾斜伸入水中。然后，通过踩脚踏板或摇手摇杆带动螺旋转动，将水从桶的下端顺着螺旋提升到高处，使其从桶的另一端流出。通常， 木桶倾斜的角度越小时，水流就越大。
虽然，“阿基米德螺旋”转动得很慢，但它的机械效率最高可达60%，提水能力不容小觑，完全可以和后世的水车相媲美，是非常理想的农田灌溉工具。至今，埃及等地中海国家仍然使用着这种提水机。
与水车只能在固定地点使用相比，“阿基米德螺旋”可以运输到不同的地方，使用起来非常方便。因此，它一经问世，便很快从埃及传播到整个地中海地区。后来，罗马人还将这一装置应用到城市供水系统中；此外，在采矿作业中，他们也用它来输送矿石、排出矿坑里的污水。
“阿基米德螺旋”看似简单，却堪称是个伟大的发明——它是人类历史上第一个螺丝状装置。从这个意义上来说，阿基米德是当之无愧的“螺丝之父”。
第一颗螺丝钉的出现
虽然早在公元前3世纪，“阿基米德螺旋”就已经被发明出来，但从螺旋到螺丝钉，这一看似并不复杂的跨步，却用了近1800年才完成。
中世纪时，木匠们使用木钉或金属钉子把家具和木结构的建筑物连接起来。但直到15世纪，人们才开始生产并使用螺丝钉。
从普通的钉子到螺丝钉，尽管只是在钉子的身上增加一些螺纹，却称得上是一个不小的进步。
普通的钉子是通过挤压打入物体中的，遇到比较硬的木材时，钉子常常会将木材撑裂。钉子进入木材后，主要靠摩擦力固定，对于那些比较松软的木材，时间长了，钉子很容易就会松脱。而螺丝钉主要依靠螺纹与物体之间的咬合力进行固定。比如，把螺丝钉拧进木头时，锐利的螺纹与木头互相咬合在一起，从而产生强大的咬合力，使物体连接得更加牢固。
最早发明螺丝钉的人是谁，现在已经不可考了。现存关于螺丝钉的最早记录，是成书于1475～1490年间的《沃尔夫格城堡中世纪家庭全书》。这是一本来自德国南部的手抄本图书，内容涵盖比武、求婚、打猎、战争等骑士生活的方方面面。书中绘有螺丝钉连接金属的图片，这说明，至少在15世纪时，螺丝钉就已经出现。
早期的螺丝钉，曾应用在火绳和盔甲上。
德国《波拉徳火器史》收录的一篇成稿于1475年的手稿中，详细记载并绘出了最早的火绳，其机是用两颗带沟槽的螺丝钉固定在托上的。之所以使用螺丝钉，是为了应对管连续引爆火药时所产生的震动，使机不致因此从托上松脱。在美国纽约大都会艺术博物馆的武器及盔甲陈列室里，有一套来自15世纪末的德国盔甲，其头盔也是用螺丝钉固定在铠甲上的。
早期的螺丝钉都是通过手工制作的。在制作时，要先锻造出螺丝钉的钉胚，再用锤子在钉胚上敲出钉头和圆形的钉身；然后，用锯子在钉头上锯出一道沟槽，再使用一种叫做“板牙”的螺丝钢板制造螺纹。
由于制作工序复杂且价格昂贵，早期的螺丝钉是论个卖的，其应用并不广泛。直到16世纪中叶，它的应用领域也仅限于盔甲、火以及钟表制造等为数不多的行业。
在现代工业生产中，车床被广泛应用。而车床的起源，极有可能与螺丝有关。因为，现存最早关于车床的记载，介绍的正是一种制造螺丝钉的机器。
成书于1475～1490年间的德国《沃尔夫格城堡中世纪家庭全书》一书，在其“战争技术”一章中，对这种车床有详细的图文介绍。它是将一个沉重的大型框架安装在固定的工作台上，用两个可调节的支架夹住螺丝钉的钉坯，钉坯的一头连着推动螺杆，推动螺杆穿过一个支架孔洞，孔洞内壁有锋利的螺纹状切削头。在使用时，通过手摇曲柄转动推动螺杆，带动螺丝钉的钉坯一同旋转，从而切削出螺纹。
这一车床已经具备了现代车床的许多特征——它的车床与工作台是一体的；使用一套机械装置来控制切削头，能切削出精度较高的螺丝钉；依靠水等动力源而不是手动推动运转；有一个类似于现代车床“台架”的大型框架以及两个类似于现代车床上“头座”、“尾座”的支架；这两个支架与切削头支架孔洞之间的距离是可调节的。最奇妙的是，这台机器还配有一把精美的螺丝刀，这说明，螺丝钉与螺丝刀应该是同步出现的。
当时，这种车床并没有得到大面积的推广使用，但它引起了著名画家、法国皇家工程师达芬奇的兴趣和关注。1500年，达芬奇对这一机器设计进行改良并设计出一系列螺丝钉生产机器的图纸。他所进行的改良有：将原来固定不动的切削头改成了移动式，使切削头沿着螺丝钉钉坯的轴向做直线运动；将原本需要旋转向前的螺丝钉钉坯改成在固定位置旋转——这和现代车床的工作原理已经非常相像了。
达芬奇还为这种车床设计了四种可更换的齿轮。这些齿轮能带动切削头以不同的速度运动，运动的速度越快时，螺丝钉的螺纹间距就越小；反之，则间距越大。
但达芬奇的这一设计仅仅停留在图纸上，他并没有制造出车床的实物。
随后，法国人雅克·贝松（1500～1569）设计、制造出更加精巧的螺丝钉制作车床——分丝辊它不再使用手摇曲柄，而是靠悬挂着平衡锤的绳子来带动切削头转动。这一车床问世后，并没有推广到生产领域，而是成为中世纪贵族们消磨闲暇时光的新玩具。他们用它来加工木材、金、银、铜、铁等各种材质的装饰性螺丝。就连法国国王路易十六，都拥有一台镀金青铜车床，它使用红木的工作台，车床上嵌有皇家徽章，并配有镀金铁质调节装置。
世界第一家螺丝钉厂
螺丝钉真正开始使用机器生产，是在1760年。
这一年，英国的约伯和威廉·威亚特兄弟发明出一项新专利技术。这一技术在生产时，先用一个旋轴夹住熟铁锻造出的钉坯，再用矬子将钉头修理成埋头钉的形状；转轴停止转动后，用一个旋转的圆锯在钉头上切割出一道凹槽；最后，将钉坯放入另一个轴床，利用一
个连在推动螺杆上的切削头，在钉身上自动切削出螺纹。
发明出这一专利技术后，威亚特兄弟买下英国伯明翰北部一个废弃的水力磨面厂，将其改造成利用水为动力源生产螺丝钉的工厂——世界上第一家螺丝钉厂由此诞生。
威亚特兄弟生产出的螺丝钉，在今天看来虽然仍然比较粗糙，但相比较于传统手工螺丝钉而言，它的质量更好，生产效率更高——一颗螺丝钉的生产时间，从原来的几分钟缩短至六七秒钟。此后，物美价廉的螺丝钉开始走向市场。
当时，欧洲工业革命风起云涌。1769年，英国人詹姆斯·瓦特制造出早期工业蒸汽机。随后，蒸汽机替代水能成为生产螺丝钉的新的动力源，同时，螺丝钉的生产工艺也得到改良。
新动力源和新工艺的使用，使得螺丝钉的产量在接下来的六七十年中大幅上升，价格也降低了近70%超细铜粉。据统计，1800年时，英国全国的螺丝钉总产量不到兔子全自动设备10万颗，但到1860年，这一数字跃升至700万颗，翻了70倍。
这一时期，螺丝钉被广泛应用于家具、马车、船舶等制造业及细木工业。
但新的问题也出现了：最早由机器生产出的螺丝钉，其钉尖是钝的。这是由于依靠当时的车床和技术，无法在由粗变细的钉坯上切割出螺纹。为解决这一问题，工人们往往将切削头倾斜一定的角度进行切削，但这样生产出的尖螺丝钉，其抓附力却会降低。
此后，为了生产出更具抓附力的尖螺丝钉，一系列专利技术应运而生。比如，1842年，美国新英格兰螺丝钉公司技工卡伦·威普尔发明出一项全自动尖螺丝钉机加工技术并于产品测试7年后成功申请尖螺丝钉制造专利。美国人查尔斯·D·罗杰斯则发明出一种新技术，成功解决了螺丝钉的螺纹部分与无纹栓杆部分的平滑过渡问题。
广告伞制作杰西·拉姆斯登与精密螺丝切割机床
18世纪下半叶，随着工业化大生产的发展以及天文、航海、地理等各个科学门类的飞速发展，人们对于高精度的螺丝有了更高需求。这时，来自英国约克郡的小伙杰西·拉姆斯登脱颖而出。
1758年，23岁的拉姆斯登在伦敦一家数学工具制造厂当工人，他以能制造出带精确刻度的尺子而闻名。此前，刻度尺主要靠手工制造，精度并不高。而当时，刻度尺已开始应用在
六分仪、经纬仪等仪器上，这就要求它必须要有更高的精度。为此，拉姆斯登决定自己设计、制作一种能够精确均分刻度的机器，但制造这种机器，需要使用一种较长的、有细密螺纹的高精度调节螺丝。
这种调节螺丝，能把旋转运动转化为沿转轴方向水平直线运动。和一般的螺丝钉不同，它的精度要求更高：其螺纹深度和螺距必须是恒定的，横切面必须是同心圆，它和调节螺母之间的摩擦力必须小而稳定。
当时，几乎没有工厂能生产这种高精度调节螺丝，于是，拉姆斯登决定自己动手制作。
从1762年开始，11年间，他反复实验，终于研制出一台全部由钢铁制造的台式精密螺丝切割车床，这台车床前所未有地使用了钻石切削头和三角滑动台架，制造出的螺丝精度可达1/4000英寸。有了这种螺丝，拉姆斯登终于制造出高精度的刻度划分机了。
拉姆斯登高精度调节螺丝的问世，开启了中世纪科学领域的新纪元。此后，利用高精度调节螺丝制作的各种精密工具，开始广泛应用于航海六分仪、天文望远镜、显微镜等精密仪器。其中，新型航海六分仪在使用时，甚至可以将航行船只的纬度精确定位到10秒（即1千英尺）以内，极大地方便了人们的航海探险活动。
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