螺栓的历史

乍一看，螺栓只是将东西连在一起，似乎平凡无奇。但是深究下去，您就会意识到，比起第一印象，看似无足轻重的螺栓和螺丝背后其实隐藏着更多秘密。没有它们，所有器具和机器都会支离破碎。

文章首次出版于: Bolted #2 2012

螺栓是建筑和机械设计中最常用的零件之一。它们将各种东西连在一起——从电动牙刷和门铰链中的螺丝，到用来固定建筑物中的混凝土支柱的大量螺栓，林林总总，包罗万有。但是，您有否曾停下来想过它们实际上来自哪里？

虽然螺纹的历史可以追溯到公元前400年，但现代螺栓和螺丝工艺中最重要的发展却是在过去150年间取得，而专家们对微不足道的螺母和螺栓的起源持有不同看法。Frederick E. Graves在他的文章《螺母与螺栓》(Nuts and Bolts) 中提出，螺纹栓和配套螺母用作紧固件的历史只能追溯到15世纪。他依据15世纪早期的一本书中第一次出现以印刷形式记录的螺丝，得出该结论。

但是，Graves也承认尽管螺纹栓可以追溯到15世纪，然而没有螺纹的螺栓却可以追溯到罗马时代，当时这些螺栓被用来「闩门，作为开关门的转轴和楔形螺栓：闩条或螺杆上带有槽口，可将楔子插入当中，让螺栓无法移动。」他还表示罗马人用青铜甚至是银制造出第一个螺丝。螺纹为手工挫制，或是先将金属丝绕在螺杆上，焊接后形成螺纹。

根据螺栓专家Bill Eccles的研究，螺纹的历史还要更早些。阿基米德（公元前287年–公元前212年）发现了螺线原理，并用于建造提水的设备。但是，有迹象显示螺旋抽水机或许诞生于埃及，时间早于阿基米德时期。该设备用木头建造，被用来灌溉土地以及排出船舱底的污水。Eccles在他的网站上写道：「但是许多人都认为螺纹在公元前400年前后由〔希腊哲学家〕阿尔希塔斯（Archytas of Tarentum）发明。阿尔希塔斯被称为力学创始人，与柏拉图属于同一时代。」

历史可以分成两个部分：公元前400年前后，螺纹问世，人们用它来提水、压榨葡萄汁酿酒等；而紧固件本身的历史则大概已有400年左右。步入15世纪，古腾堡 (Johann Gutenberg) 在他印刷机的紧固件中使用螺丝。接着，使用螺丝的趋势日渐广泛，使用范围更扩大到时钟和装甲等物品。据Graves表示，莱奥纳多·达·芬奇在15世纪晚期和16世纪早期留下的笔记本中载有一些关于螺纹切削机床的设计。
但是关于这个话题，多数研究者都同意的是，工业革命加快了螺母和螺栓的发展，并且使它们成为工程和建筑领域里的重要零部件。

W.R. Wilbur在1905年出版的《美国螺母和螺栓行业的历史》（HISTORY OF the Nut and Bolt Industry in America）中承认，第一台用来制造螺栓和螺丝的机器由Besson于1568年在法国制造，Besson后来引入了螺纹切削牙规或板牙，用于车床中。1641年，英国公司Hindley of York对该设备进行了改进，使之得到广泛运用。

在大西洋彼岸的美国，关于螺栓的历史记录可在Carriage Museum of America中找到。19世纪初用于车辆上的螺母，要比后来的扁平而方正，后来的螺母都有倒角，螺栓被加工为平头形状。在这个时期，生产螺栓是一个繁琐而又艰苦的过程。

紧固件的螺纹起初以手工制成，但是没过多久，由于需求大增，有必要加快生产流程。1760年在英国，J and W Wyatt引入工厂制造流程，大规模生产螺纹。但是，这个重大发展带来了另一个挑战：每家公司都生产自己的螺纹、螺母和螺栓，因此市场上充斥着大量不同尺寸的螺纹，给机械制造商带来不少麻烦。

直到1841年，约瑟夫·惠特沃斯 (Joseph Whitworth) 成功找到解决方案。经过多年研究及收集许多英国工厂的样本螺丝，他建议为英国的螺纹尺寸制定一个标准，以便英格兰厂家生产的螺栓和格拉斯哥厂家生产的螺母可以配在一起使用。他的提议是，螺纹面的角度以55度为标准，每英寸的螺纹扣数应该根据不同的直径来界定。

当这个问题在英国得到解决之时，美国人也在想方设法解决同样的问题，并且开始使用惠氏螺纹。1864年，威廉•塞勒斯 (William Sellers) 提出了60度的螺纹牙型和多种螺距，可适用于不同的直径。这后来发展成美国标准的粗牙系列和细牙系列。相比英国标准，美国标准的一个优势是，他们的螺纹牙型具有扁平的牙底和牙顶。相比拥有圆形牙底和牙顶的惠氏标准，它更容易进行生产。但是，人们发现惠氏螺纹在动态应用方面的性能更出色，而且惠氏螺纹的圆形牙底能改善老化问题。

第一次世界大战期间，不同国家的螺纹缺乏统一标准，成为抗战的一大障碍；第二次世界大战期间，对盟军来说，这个问题变得更加严重了。1948年，英国、美国和加拿大就统一标准螺纹达成一致，并以此作为所有使用英制单位的国家的标准。该标准使用的牙型与德国于1919年制定的DIN公制螺纹类似，是惠氏螺纹牙型（可改善老化问题的圆形牙底）和塞勒斯螺纹（60度牙侧角和扁平牙顶）的最佳组合。但是，统一标准螺纹的牙底半径更长，事实证明比DIN公制螺纹牙型更有利。这促成了ISO公制螺纹的产生，亦即今天所有工业化国家广泛使用的标准。

最近几十年，在这个行业工作的人见证了螺栓的许多调整。Eccles回忆说：「我在35年前开始涉足这个行业，当时螺栓的优势不像今天这么明显。随着现代公制类别的引入，以及最近对相关ISO标准的更新，现在关于螺栓优势的描述和用来确定其特性的测试方法，都更加清晰了。」

由于原料工业变得更加发达，螺栓的DNA也从钢铁变成了其他更新奇的材料，以满足日新月异的行业需求。过去20年，镍基合金领域有所发展。镍基合金可在高温环境下工作，比如涡轮增压器和发动机，而钢铁在该环境下的表现则不佳。近期研究专注于轻金属螺栓，比如铝、镁和钛。

如今的螺栓技术相比手工制造的螺栓和螺丝，以及客户只能选择碱性钢螺母和螺栓的时代，已有长足发展。今天，Nord-Lock等公司在螺栓技术方面取得了巨大改善，当中包括楔入制锁系统。客户可选择预装的锌涂层或不锈钢垫圈、专为平底钢轮辋设计的车轮螺母或者为不同应用定制的组合螺栓。收购美国公司Superbolt Inc.和瑞士公司P&S Vorspann systeme AG（如今的Nord-LockAG），使Nord-Lock产品组合中用于重工业（比如海上能源和开采）的螺栓产品增多。

现在，人们也更加强调分析接头。Eccles 解释：「过去，人们习惯于只根据自身经验来决定紧固件的尺寸，然后双手合十祈祷它的成效。如今，人们更加关注在制造产品和推向市场前，分析和确保产品效能的工作。」