1797: Henry Maudslay baut die erste Schraubendrehbank

Henry Maudslay war ein englischer Maschinenbauer, der etliche Jahre in der Werkstatt von Joseph Bramah [vergl. 1795: Joseph Bramah erhält ein Patent für eine hydraulische Presse] gelernt hatte. Dort hatte Maudslay auch zum erstenmal einen Kreuzsupport gebaut. James Nasmyth, später Schüler Maudslay’s, nannte diesen äusserst treffend »iron hand«. Es hatte sicherlich schon Vorläufer gegeben, Maudslay gelang es aber, mit hoher Präzision in Dimensionen zu bauen, die für den Maschinenbau nötig waren.

Zur Bedeutung der «iron hand« schrieb Karl Marx ¹:

Diese mechanische Vorrichtung ersetzt nicht irgendein besonderes Werkzeug, sondern die menschliche Hand selbst, die eine bestimmte Form hervorbringt, durch Vorhalten, Anpassen und Richtung der Schärfe von Schneidinstrumenten usw. gegen oder über das Arbeitsmaterial… “

1797 machte Maudslay sich mit einer eigenen Werkstatt selbstständig und baute eine erste Schraubendrehbank ganz aus Metall ². Zusätzlich zum Kreuzsupport wies diese Drehbank auch eine Leitspindel auf. Damit wurde es zum ersten Mal möglich, Gewindespindeln (gelegentlich auch Bewegungsschrauben genannt), maschinell zu fertigen.

Diese erste Maschine ist im Science Museum London erhalten, siehe Bild @fig:1797-1 ³.

Die erwähnte Leitspindel bot natürlich eine ganz besondere Schwierigkeit, sollte sie doch nicht nur über die gesamte Länge eine gleichmäßige Steigung aufweisen sondern auch idealerweise pro Umdrehung den Support über eine sinnvolle Distanz transportieren [vergl. 1794: John Jacob Holtzapffel fertigt genaue Gewindebohrer und Schneideisen].

Lt. Benad-Wagenhoff, der sich auf Holtzapffel bezieht, befaßte Maudslay sich von 1797 bis 1810 mit diesem Problem ⁴. Zunächst wurde aus Hartholz ein Urgewinde von etwa 60 cm Länge geschnitten. Dies geschah auf einem speziell angefertigtem Gerät, dem »screw originator«. Dieses Gerät scheint erhalten, Benad-Wagenhoff zeigt ein Foto aus einer Broschüre des Science Museums von 1971, dazu siehe Bild @fig:1797-2.

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Hatte ein Holzrohling die gewünschte Geometrie, so wurde bei gleichen Einstellungen des »screw originator« ein Gewinde auf einem Rohling aus z.B. Zinn oder Bronze, also einem weichen Metall erzeugt. Dieser Weichmetallrohling wurde in die »screw cutting lathe« eingesetzt und auf einen Rohling aus Messing oder Stahl kopiert. Benad-Wagenhoff beschreibt Versuche Maudslay’s, dabei noch vorhandene Fehler zu minimieren. Wie Maudslay es nun jedoch schaffte, aus der 60 cm langen Spindel eine etwa 2,1 m lange Leitspindel zu erzeugen, bleibt mir unklar ⁵.

Maudslay leistete noch mindestens einen weiteren wichtigen Beitrag: Er war es wohl, der die Herstellung einer ebenen Fläche durch Tuschieren und Schaben in Bezug auf eine Referenzplatte (Tuschierplatte) einführte. Bis dahin waren ebene Flächen nur näherungsweise mittels Feilen und gegenseitigem Schleifen mittels Schleifpulver herstellbar.

Dazu mußte natürlich zunächst einmal eine Referenzplatte erzeugt werden. Der oben schon erwähnte James Nasmyth beschrieb in seiner Autobiographie das Verfahren ⁶. Darüber hinaus heißt es dort:

The importance of having such Standard Planes caused him to have many of them placed on the benches besides his workmen, by means of which they might at once conveniently test their work.

Die Bedeutung der Tuschierplatte führte dazu, dass er viele seiner Arbeiter damit ausstattete. Mit der Platte gleich neben der Werkbank konnten sie bequem die Werkstücke prüfen.

Ein weiterer, später sehr berühmter Schüler Maudslay’s war Joseph Whitworth. Dieser hielt 1840 einen Vortrag über »On plane metallic surfaces and the proper mode of preparing them (Ebene metallische Flächen und wie sie richtig herzustellen sind)« ⁷. In diesem Text (leider ohne Bilder) beschrieb Whitworth, wie drei Platten durch wechselseitiges Tuschieren (Ocker in Öl gelöst) und dann Schaben per Hand hergestellt werden. Vielleicht ist dieser Vortrag der Grund dafür, dass es Autoren gibt, die dieses Verfahren zur Herstellung ebener Flächen Whitworth statt Maudslay zuschreiben.

Nasmyth war von 1829-1830 bei Maudslay. Die Tatsache, dass Whitworth zehn Jahre später einen Vortrag über Tuschieren und Schaben hielt, zeigt natürlich, dass zumindest in größeren Teilen des englischen Maschinenbaus das Verfahren Maudslay’s immer noch nicht eingeführt war.

Wegen der fundamentalen Bedeutung dieser Technik zitiere ich hier ausführlich Benad-Wagenhoff, der wiederum sich auf die Beschreibung Holtzapffels stützt ⁸:

Die Prozedur begann damit, daß zuallererst einmal gerade Holzlineale hergestellt wurden. Dieses Dreikantenverfahren (Abb. 3.11) ging so vor sich, daß man aus hartem, geradegemasertem Holz drei Leisten (A, B, C) hobelte. Zwei davon arbeitete man an ihren zukünftigen Meßkanten passend zueinander, indem man sie immer wieder durch Aneinanderlegen und Beobachten der Lichtfuge prüfte. Nahm man dann dort, wo die Lineale sich berührten, Material ab, erreichte man, daß die korrigierte Lineale (A1) und (Bl) entweder gerade oder passend konkav-konvex wurden. Das übriggebliebene Lineal (C) wurde anschließend einem der beiden anderen angepaßt, z. B. (A1); es entsprach dann in etwa dem Gegenstück (B1). Ergebnis dieses Verfahrens waren drei Lineale, die in zwei der drei möglichen Paarungen zueinander paßten (A1+B1; A1+Cl), in der dritten (B1+C1) normalerweise nicht: (B1) und (C1) waren annähernd spiegelbildlich zueinander und wiesen gleiche Abweichungen von der Idealform auf. Man prüfte sie aneinander und arbeitete an beiden so genau wie möglich gleichviel Material weg, bis man zwei passende Lineale (B2, C2), nun aber mit viel geringeren Abweichungen als (B1, C1), erhielt. (A1) wurde dann an eins von beiden, z. B. (B2), angepaßt, sodaß alle drei (A2, B2, C2) die gleiche Genauigkeit hatten und (A2, C2) wieder spiegelbildlich zueinander waren. Man kann diese Methode, Kanten mit spiegelbildlich gleichgerichteten Fehlern um denselben Betrag abzuarbeiten und die dritte einer von beiden anzupassen, mehrfach wiederholen. Irgendwann wird diese dritte Kante ausreichend genau mit den beiden anderen übereinstimmen. Auf jeden Fall erreicht man nach drei bis vier Durchgängen einen Grad an Genauigkeit, der sich bei Holzlinealen nicht mehr steigern läßt.

Um noch perfektere gerade Kanten zu erzielen, stellte man anschließend Lineale aus Stahl her. Drei Stahlstangen wurden, nachdem mit einer alten Feile die harte Zunderschicht entfernt worden war, parallel aneinandergelegt und mit Schrauben zusammengespannt. An ihrer gemeinsamen, von den Schmalkanten gebildeten Oberfläche arbeitete man dieses Paket mit Metallhobel und Schruppfeile leidlich gerade. Dabei ging man kopierend vor, indem man das mit roter Kreide eingeriebene Hartholzlineal als Muster benutzte: es wurde auf die in Arbeit befindliche Fläche gedrückt und hinterließ Farbmarkierungen auf hervorstehenden Partien, die dadurch leicht erkannt und eingeebnet werden konnten. Wenn das Holzlineal seiner Weichheit wegen nicht mehr zur Überprüfung ausreichte, wurden die Stahlschienen auseinandergeschraubt und nun wechselseitig aneinander geprüft. Neben dem Lichtspalt nutzte man die Tatsache, daß beim Aneinanderreiben von Metallflächen an den Berührungspunkten blanke Stellen entstehen. Es wurde mit zunehmend feineren Feilen gearbeitet, gelegentlich auch geschabt oder gegeneinander geschmirgelt. Meist reichte das Feilen aus, weil man jeden Punkt der schmalen Kanten mühelos erreichen konnte.

Diese iterative Vorgehensweise wurde auch in der nächsten Phase, bei der Erzeugung von planen Urflächen, angewandt. Die Stahllineale übernahmen dabei die gleiche Aufgabe wie zuvor die Holzlineale; sie dienten zu Beginn der genaueren Bearbeitung als Prüfmittel. Die Rohlinge für Standardflächen waren gußeiserne Platten mit verrippter Unterseite (Abb. 3.12). Auch hier wurde mit drei Stücken gearbeitet. Zuerst entfernte man mit dem Meißel die harte Gußhaut, um die nachfolgend benutzten Werkzeuge zu schonen. Dann wurde mit Metallhobel und Schruppfeile grob planiert. Zum Prüfen diente ein Holzlineal oder ein plangehobelter Hartholzblock, mit Kreide eingefärbt. Anschließend arbeitete man mit immer feineren Feilen und einem guten Stahllineal, das in allen möglichen Richtungen an die Fläche gelegt wurde. Eine der drei Flächen, z. B. (A), bearbeitete man besonders sorgfältig, strich sie mit einem Farb-Öl-Gemisch ein und benutzte sie als Prüffläche für die erste grobe Angleichung der beiden anderen (B, C). War das erledigt, begann man, alle drei wechselweise aneinander anzupassen. Der Schaber ersetzte dabei die Feile. Er arbeitet mit nur einer Schneidkante und negativem Spanwinkel (s. o. Abb. 2.4f). Deshalb kann der Arbeiter sehr kleine Spanmengen abnehmen und exakt bestimmen, wo das geschieht. Die Verfahrensweise (Abb. 3.13) war dieselbe wie bei der Erzeugung der Lineale. Mit dem Stahllineal wurde zuerst geprüft, welche der drei groben Flächen ähnliche Abweichungen von der ldealform hatten, z. B. (A) und (B). Diese beiden arbeitete man dann vorsichtig um annähernd gleiche Beträge ab und näherte sie so der Idealfläche, es entstanden (A1) und (B1). Nun paßte man die dritte Fläche (C) an (A1) an. Wenn nun (B1) und das neuentstandene (C1) aufeinanderpaßten, waren schon alle drei Flächen plan. Normalerweise hatten aber (C1) und (B1) gleiche Abweichungen von der idealen Ebene, die in einem zweiten und dritten Durchgang auf beiden Stücken gleichmäßig abgeschabt werden mußten, bis die Tragpunkte auf allen drei Platten ausreichend dicht und gleichmäßig verteilt lagen. Dabei wurde immer eine von zwei Platten dünn mit Farbe bestrichen, deren Abreiben auf die Gegenfläche die Tragpunkte in den »Gipfelregionen« sichtbar machte. Je größer ihre Anzahl und je gleichmäßiger ihre Verteilung, desto näher war man an der idealen Ebene. Für höchste Genauigkeit ließ man die Farbe weg und orientierte sich nur noch an den blankgeriebenen Berührungsstellen …

Mit diesen Methoden hatten Maudslay und seine Schüler die notwendigen Mittel an der Hand, um genaue Führungsflächen für Kreuzsupporte zu erzeugen. Seit etwa 1815 beschleunigten dann die ersten Hobelmaschinen die Bearbeitung ebener Flächen; sie übernahmen die groben und mittelgroben Vorarbeiten, die bis dahin mühselig mit Meißel, Schmiedehobel und Schruppfeile erledigt werden mußten. Die abschließende Feinbearbeitung mit Schlichtfeile und Schaber blieb allerdings bis weit ins 20. Jahrhundert Handarbeit.

Eine detaillierte, neuzeitliche Beschreibung des Verfahrens mit Skizzen findet sich bei Moore ⁹.

Trotz der Flachschleifmaschine gibt es auch heute gelegentlich Situationen, in denen erfahrene Werkzeugmacher tuschieren und schaben !

1797: Richard Trevithick baut ein Modell einer ganz neuen Dampfmaschine

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Die Objektnummer »1876-1269« des Science Museums in London in Bild @fig:1797-3 bezeichnet ein Stück der Sammlung, welches fest mit dem Namen Richard Trevithick (1771-1833) verbunden ist. Der offizielle Text des Science Museums lautet:

Trevithick’s original model road locomotive engine, unsigned, British, 1796-1802. This model is possibly constructed by either Richard Trevithick, or Whitehead & Co., of Manchester.

Trevithick’s Original Modell einer Straßenlokomotive, nicht signiert, British, 1796-1802. Dieses Modell ist möglicherweise entweder von Richard Trevithick oder von Whitehead & Co. aus Manchester gebaut worden.

Die Jahreszahlen, die das Science Museum angibt, machen deutlich, daß man nichts genaueres weiß.

Das ist leider recht oft der Fall, wenn man sich mit Trevithick befaßt. Er hat wohl nicht allzuviel geschrieben, gerne und gut schon gar nicht. Einiges von dem, was erhalten ist, ist unlesbar bzw. unverständlich. Seine geschäftlichen Erfolge waren eher bescheiden und er war wohl recht sprunghaft, jagte von einem Projekt zum nächsten.

Warum er dennoch zu den großen Pionieren der Dampfmaschine im 19. Jahrhundert gezählt wird, läßt sich an dem kleinen Exponat mit der Objekt Nummer 1876-1269 gut erklären.

Der Hauptkörper ist ein liegender Kessel, auf der dem Betrachter abgewandten Seite mit einem Deckel versehen. Dort befindet sich die Feuerung. Der Kessel sitzt auf einer Achse mit zwei größeren Rädern sowie einem (vielleicht drehbaren ?) kleineren Rad auf. Das ganze Gebilde ist also wohl fahrbar. Rechts oben erkennt man das obere Ende eines Zylinders, der ansonsten im Kessel steckt. Die Kolbenstange greift an ein Querjoch an, welches auf zwei senkrechten Stangen auf- und abgleiten kann. Am oberen Ende sind diese Stangen mit einem Querhaupt verbunden, welches sich über eine diagonal verlaufende Stange an der Kesselfront abstützt. Am Querjoch ist ein Arm befestigt, der eine senkrechte, vor dem Kesselboden gleitend geführte Stange hält. Diese ist vermutlich derart mit einem Gewinde versehen, daß ihr Angriffspunkt im Arm axial verschoben werden kann. Die Stange ist im oberen Bereich geschlitzt, man sieht einen Hebel herausschauen. Dieser wirkt auf eine Achse und bewirkt die Steuerung. An den beiden Enden des Querjoches sind Treibstangen angelenkt, die mit den beiden größeren Rädern verbunden sind. Das Rad im Vordergrund ist auch als Zahnrad ausgebildet. So wird über ein kleineres Zahnrad das Schwungrad im Vordergrund angetrieben.

Wenn man nun noch bedenkt, was alles nicht zu sehen ist, wird so langsam klar, daß diese Konstruktion etwas völlig neues war: Es gibt keinen Kondensator und keinen Balancier.

Wir haben eine Dampfmaschine vor uns, die mit hohem Druck betrieben werden muß, da sie sonst nicht funktioniert. Watt’s Maschinen profitierten von den etwas erhöhten Dampfdrücken, die im Laufe der Entwicklung im Kesselbau möglich wurden, die Kondensation blieb aber wichtigster Anteil. Ein höherer Dampfdruck war aber mit den Mitteln der Zeit nur möglich, weil die Maschine klein war. Andererseits werden wir aber noch sehen, daß damit auch eine Marktlücke gefüllt werden konnte.

Lassen wir den Sohn Richard Trevithick’s zu Wort kommen ^{10 11}:

The late Mrs. Trevithick frequently spoke of models of her husband’s early engines, the first of which worked at her house in Camborne, about the year 1796 or 1797. It was made by Mr. William West, and was to have been shown in the lawsuits between Boulton and Watt and the Cornish engineers.

Lord and Lady Dedunstanville, the large landed proprietors in the mining district — embracing Dolcoath, Cook’s Kitchen, Stray Park, and many more of the early Cornish mines — and Mr. Davies Gilbert, a friend of Trevithick’s, came to her house to see the model work.

A boiler, something like a strong iron kettle, was placed on the fire; Davies Gilbert was stoker, and blew the bellows; Lady Dedunstanville was engineman, and turned the cock for the admission of steam to the first high-pressure steam-engine. The model was made of bright brass.

Shortly afterwards another model was made, which ran round the table, or the room. The boiler and the engine of this second model were in one piece; hot water was poured into the boiler, and a red-hot iron put into an interior tube, just like the hot iron in tea-rooms.

In a third model the boiler was heated by a spiritlamp. This one was taken to London by a gentleman who came down for the purpose of seeing it work.

A model of Trevithick’s, now in the Kensington Museum, spoken of by Mr. Radford as having come from the engine-works of Messrs. Whitehead and Co., Soho Iron Works, Manchester, is probably one of those spoken of by Mrs. Trevithick as having been made prior to 1800. It is a perfect specimen of a high-pressure steamengine, with cylindrical boiler, adapted to locomotive purposes. It served as a guide to Messrs. Whitehead and Co., who manufactured engines for Trevithick in 1804.

Die verstorbene Frau Trevithick [seine Mutter !] sprach häufig von Modellen der frühen Maschinen ihres Mannes. Das erste dieser Modelle wurde in ihrem Haus in Camborne 1796 oder 1797 betrieben. Es war von Herrn William West angefertigt und wurde später in gerichtlichen Auseinandersetzungen zwischen Boulton und Watt mit den Ingenieuren aus Cornwall benutzt.

Lord und Lady Dedunstanville, die Großgrundbesitzer im Minen District - Dolcoath, Cook’s Kitchen, Stray Park und eine Reihe weiterer der frühen Minen Cornwall’s gehörten dazu, sowie Herr Davies Gilbert, ein Freund der Trevithick’s, kamen zu ihnen, um das Modell zu sehen.

Ein Kocher, etwa ein starker eiserner Kessel, wurde auf’s Feuer gesetzt. Davies Gilbert war der Heizer und betätigte den Blasebalg; Lady Dedunstanville war die Maschinistin und drehte den Hahn, um Dampf in die erste Hochdruck-Dampfmaschine zu lassen. Das Modell war aus Messing gefertigt.

Kurze Zeit später wurde ein weiteres Modell angefertigt, welches auf dem Tisch oder im Raum im Kreis herum fuhr. Bei diesem zweiten Modell waren der Kessel und die Maschine in einem Stück; heißes Wasser wurde in den Kessel gefüllt. Dann wurde ein rotglühendes Eisen in ein Rohr gesteckt, genau wie ein heißes Eisen in einem Tea room.

Bei einem dritten Modell wurde der Kessel mit einer Spirituslampe geheizt. Dieses nahm ein Herr mit nach London, der gekommen war, um es anzuschauen.

Eines der Modelle Trevithick’s, nun im Kensington Museum [das heutige Science Museum], von dem Herr Radford sagt, daß es von der Maschinenfabrik der Herren Whitehead and Co., Soho Iron Works in Manchester, stammt, gehört wahrscheinlich auch zu denen, von denen Frau Trevithick sagte, sie seien vor 1800 angefertigt. Es ist ein perfektes Exemplar einer Hochdruck-Dampfmaschine mit einem zylindrischen Kessel, für Lokomotiv-Zwecke eingerichtet. Es diente als Modell für die Herren Whitehead and Co., die 1804 Maschinen für Trevithick bauten.

Es lohnt, diesen Text etwas genauer zu betrachten.

Gilbert (ursprgl. Davies Giddy) war zwar ein Landsmann Trevithick’s, also auch ein »cornish man«, aber aus einer ganz anderen Klasse. Sohn eines Geistlichen, Student in Oxford, zeitweilig High Sheriff of Cornwall und Mitglied des Parlaments. Was ihn und Trevithick zusammengeführt hat, bleibt letztlich unklar. Kein Biograph Trevithick’s versäumt es, aus einem Brief Gilbert’s zu zitieren, in dem er über Trevithick schreibt. Er hatte ihn am Rande eines Prozesses 1790 persönlich kennengelernt. Danach habe Trevithick ihn häufiger nach seiner Meinung gefragt, wobei es manchmal um gute, manchmal auch um völlig haltlose Ideen gegangen sei. Wörtlich heißt es dann ¹²:

On one occasion Trevithick came to me and inquired with great eagerness as to what I apprehended would be loss of power in working an engine by the force of steam, raised to the pressure of several atmospheres, but instead of condensing to let the steam escape. I of course answered at once that the loss of power would be one atmosphere, diminished power by the saving of an air-pump with its friction, and in many cases with the raising of condensing water. I never saw a man more delighted, and I believe that within a month several puffers were in actual work.

Einmal kam Trevithick zu mir und und wollte dringend wissen, wie groß meiner Meinung die Leistungseinbuße sein würde, wenn man eine Maschine mit Dampf mit mehreren Atmosphären Druck, aber ohne Kondensation betreiben würde. Ich antwortete natürlich sofort, daß ein Druckverlust von einer Atmosphäre eintreten würde, gemindert durch die fortfallende Luftpumpe mit ihrer Reibung und in vielen Fällen das Heben von Kondenswasser. Ich habe nie einen Mann erfreuter gesehen und ich glaube, daß innerhalb eines Monates mehrere Puffer in Betrieb waren.

Das ist in meinen Augen nun wirklich starker Tobak. Ich kann mir durchaus vorstellen, daß der Praktiker Trevithick seine Ideen Gilbert geschildert hat, aber dass die Antwort Gilbert’s den Ausschlag gegeben haben soll scheint mir ganz und gar unglaubwürdig - mal ganz davon abgesehen, daß ein Monat für den Bau solcher komplexen Maschinen sicherlich nicht gereicht hat.

Ein zweiter Aspekt der Arbeit Trevithick’s wird ebenfalls aus dem Text deutlich. Er ließ seine Maschinen von Dritten bauen. Das bezog sich nicht nur auf Gußteile (seine Ehefrau war die Tochter des seinerzeit sehr bekannten Gießereibesitzes John Harvey aus Hayle), sondern auch auf Maschinen in Gänze.

Leider ist insgesamt nur recht wenig über die »Puffer« (ein Ausdruck, der das Auspuffgeräusch der neuen Maschine ohne Kondensator schön erahnen läßt) bekannt. Dickinson gibt die Zahl der gebauten Maschinen mit »an die fünfzig« an. Francis Trevithick benennt eine Reihe von Minen, in denen Puffer als sog. «Whim Puffer« genutzt wurden - also als Fördermaschine. In jedem Fall wurde dieser Maschinentyp vielfältig eingesetzt. Es gibt Zeichnungen, wo er als Antrieb für Poliertrommeln dient ¹³, er wurde 1818 in einem Lexikon abgebildet ¹⁴. Trevithick selbst nutzte ihn als Straßenlokomotive [siehe 1801: Richard Trevithick probiert seine Straßenlokomotive aus - den Puffing Devil], setzte ihn auf Schienen und als Antrieb für einen Eimerkettenbagger auf einen Leichter.

Dennoch ist nur ein »Original« erhalten, siehe Bild @fig:1797-4.

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Dieses befindet sich im Science Museum. Laut Tom Walshaw hat F.W. Webb, der lange Jahre technischer Leiter der »London and North Western Railway« war, die Überreste 1882 auf einem Schrottplatz gefunden und diese dann in »seinen« Lokomotiv-Werken von Crewe restaurieren lassen ¹⁵. Es fehlten wohl Kurbelwelle, Hauptlager, Treibstangen und der Kamin, evtl. auch die Speisewasserpumpe und die Kesselfundamente, so dass diese Teile des Exponates später ergänzt wurden.

Das Science Museum gibt an, daß die Maschine ca. 1806 bei Hazledine & Co. in Bridgnorth mit der Nr. 14 gebaut worden sei. Als Dampfdruck werden 50 psi (3,4 bar) angegeben.

Stand: 6.9.2018

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