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从古代青铜文物看中国机械加工的渊源

2015-12-22  梦泽赤子

从古代青铜文物看中国机械加工的渊源

  (2012-07-03 12:17:11)
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文化

从古代青铜文物看中国机械加工的渊源

   董亚巍  (鄂州市博物馆 副研)

 

Abstract:

    The routine metal-machining equipment used in Chinese modern industry, such as lathe , milling machine and grinder etc, were imported about after late Qing Dynasty .By studying Chinese ancient metal products, we find ,there were a lot of machining tracks in some bronze weapons of Warring States. In the light of technological analysis and pictures of material objects ,this paper shows :In early Warring states before 2400 years, Chinese people had used a certain scale machining equipment and had had corresponding machining technique, so that the splendid bronze weapon civilization can be created.

Key  words :  bronze  equipment  processed tracks.

 

摘要:中国现代工业中所应用的常规金属加工机械设备,如圆车刨床铣床磨床等,最早的大约是在清代晚期以后陆续从国外引进来的。本文通过对中国古代金属制品的研究后发现,中国在战国时期的一些青铜兵器上,留下了大量的机械加工的痕迹。本文通过技术分析及实物标本的图片说明,在2400年前的战国早期,中国的先民们就已经使用了一定规模的机械加工设备,有了相应的机械加工技术水平。正是由于当时已有了机械加工技术,才得以创造出战国时代那辉煌灿烂的青铜兵器文化。

 

关键词:       青铜器        设备     加工痕迹

 

鄂州有铜镜之乡之美誉。在鄂州市博物馆的铜镜藏品之中,常可见到一些铜镜背面的外缘及钮上有明显的加工痕迹。以往,曾有许多著作提到古代铜镜的制作技术,但大多只说铸造,很少有人提及铸后的加工情况,更少涉及到采用设备方式来进行加工。笔者在对古铜镜经过大量的观察后发现,许多与铜镜属于一个同心圆的加工痕迹,如同今天将镜体安置在车床上车出来的一般;因镜钮周围的浮雕纹饰不能进行机械式加工,因此,其浮雕纹饰基本还保持着原始铸态,与无纹饰的外缘及镜钮所呈现的加工态,形成了鲜明的对比。铜镜的正面,因照面饰容,要求光洁度高,在研磨抛光时已将磨削加工的痕迹消除掉了,所以,从镜面上看不到加工的痕迹。虽然镜面没有留下加工的痕迹,但镜面不是铸态而呈加工态却是毋庸质疑的事实,并非属一次铸就的,而在镜背却留下了较明显的加工的痕迹。镜背外缘留下的磨痕,是一圈圈很细的磨痕,这些磨痕往往与镜体外圆呈平行的同心圆,这个现象说明,铜镜是在圆周性运转的设备上进行磨制加工的。从这些历历在目的加工痕迹上,我们可以超越时空地看到汉末、两晋及南北朝的先民,在铜镜铸件的毛坯上进行着磨削加工。根据铜镜背纹上的加工痕迹可以判断出,其加工的方式是将铜镜铸坯安置在一个陶车或者类似于陶车的设备上,在圆周性运转的作用下,用磨石之类的工具进行手工或固定工具架操作而成。铜镜是人们生活中的实用器,其铸制的数量可能仅次于钱币;但铜镜既是实用器又是工艺品,除要求实用外,还要求有一定的工艺水平,所以,铜镜铸件的铸后加工,就显得犹为重要了。图一为东汉时代的简易双夔镜的钮部,此镜现藏鄂州市博物馆,图中钮上从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏            (1)

可以清楚地看到以钮为中心的同心圆痕迹。这些痕迹说明,此镜是在一个能够进行圆周运动的设备上加工出来的。如有这种加工痕迹的铜镜,在鄂州市博物馆的铜镜藏品中比比皆是。这一现象说明,汉末三国时期的镜工,在铸制出铜镜毛坯后,普遍采用了有机 械设备的加工方式来进行铸件的后期加工。

既然铜镜铸件可以采取机械加工技术,那么同时代的其它金属制品是否也可采用机械加工技术呢?图21977年在鄂州市鄂钢火车大修厂古水井里出土的铜罐,其口沿下有铭文为“黄武元年作三千四百卅八枚,”傍边有较大一些但不规整的“武昌官”三铭;从其铭文看,此铜罐属公元222年为武昌的官方所铸制。当年的铜罐铸制数量为3438件,这么大的批量,如果在铸后的表面加工中采用原始的手工打磨操作,显然费工费时,并且不规范;为了加工大批量的铸件毛坯表面,采从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏(2)

用机械或半机械半手工加工技术,就会大大提高工效。从加工痕迹上可以看到,这个铜罐曾经在类似今天的车床般的设备上车削过,因铜罐口沿两侧有耳,加工时自下至上,当加工至铜罐的耳根时停止了车削,如果再继续向口沿方向加工,就会将耳根车掉,因此,铜罐的加工痕迹只车到耳根为止。根据铜罐上的车痕,可以推断出,这个铜罐不可能在类似陶车的设备上进行车削,而是在卧式的设备上且须在采取两头固定的前提下,才可能在铜罐铸态毛坯上进行车削较粗糙的毛坯层。

经过对汉末三国两晋的铜镜及对三国时期铜罐的观察,发现了汉末三国及两晋时期青铜铸件的加工痕迹。进而再对战国镜进行观察时,发现战国镜的内凹式外缘表面,也有着相同的加工痕迹。再进一步对战国时代的青铜兵器进行观察时,从而发现战国青铜兵器上机械加工的痕迹更为明确。

鄂州有着悠久的人文历史。据鄂州县志记载,自西周夷王7年(即公元前881年),楚王熊渠封子熊红为鄂王,在境内修筑了鄂王城,这里便成为楚国的一个政治及军事的重镇,担负起守卫楚国东大门的重任。19784月,鄂州市燕矶镇坝角村的农民在该村临近的走马湖畔围垦造田时,在湖汊的淤泥中约30厘米深的泥层中,挖出一个大陶瓮,瓮中装满铜兵器的残片约30公斤。有箭镞、铜矛、铜壶盖、马饰、弩机、带从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏(3)

钩以及其它一些青铜器上的附件等残片。其中数量最多者为青铜剑的残片。13所示只是大陶瓮中残器的一部分,全部为青铜剑的废品。从这堆青铜剑的废品来看,当时对青铜剑的铸造数量是相当大的。这些破碎的残剑全部为末经过加工的铸态毛坯的残件,显然属当时铸造时的废品毛坯,因已经没有加工的必要了,只有待再开炉铸剑时,可作为回炉料使用。                                                       

战国早期,政治上空前的百花齐放及百家争鸣,客观上有力地推动了科技的进步与社会生产力的发展。各个诸侯国之间为了各自巩固政权,军事上的需要自然成为国之大计,武器装备就显得十分重要了。因此,战国时代各诸侯国对于青铜兵器的铸造数量,以及对于铸后的规范化加工,其要求必然强烈。在这种大的竞技环境中,战国时代的青铜兵器铸件的铸后机械加工技术,有了突破性发展,应是历史的必然。

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在战国墓葬中出土的一些青铜兵器中,我们可以看到许多铸造后又经机械加工所留下的痕迹。图4为战国时代的青铜剑,于1980年在鄂州市百子畈砖瓦厂M11出土,现藏鄂州市博物馆;从此图中可以清楚地看到,此剑刃部与剑丛的分界线十分规整,两边剑丛之间的剑脊也同样规整;而在鄂州市坝角村 出土的那一堆青铜剑的废料之中,其剑脊与刃部却全部都为棱角十分模糊的毛坯。这说明,成品的青铜剑大都是在铸后又经过了某种加工后,才成为各部位棱角分明的青铜剑。图5为这把剑的刃部放大图片,从此图中可以看到刃部都有被磨削加工所留下的磨痕,而这些磨痕的角度又全都是与剑呈垂直状态。这些现象说明,这把剑的刃部及脊部,都不是手工操作可以敷衍出来的,应是将剑的铸态毛坯安置在

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一个可以将剑身固定的工作台上,再在一台类似于现代的平面磨床上,用类似于今天的砂轮磨制出来的。在磨制的过程中,工作台与磨轮两者之间需有一者可横向运动。根据绝大部分战国青铜剑的刃口都被磨制得规整程度,以及脊部的规整程度,又根据战国时期的历史局限,笔者描绘了一张当时人们完全可以操作的磨剑图。如图6所示,

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虽然其设备十分简陋,但可以将铸件加工的很整正。这张图是笔者的主观想象,只是为了说明,战国时代的先民是完全有条件对青铜剑进行机械或半机械加工的。

7为另一把战国时代的青铜剑,于 19912月在鄂州市鄂城区税务局出土,现藏鄂州市博物馆,图8为此剑首的局部放大图片,从放大的图片中我们可以看到,与一般没有凸棱的剑首不同,其首与茎为3件分别加工后装配而成的首与茎,而一般青铜剑通身为一次浑铸而成。图9为这把剑首部的局部放大图,从放大图中可以看到,剑首有7圈凸棱,每圈凸棱的高度约3-4毫米,每圈凸棱从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏

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的厚度约为0.3—0.4毫米。目 前,一般认为,战国这种剑首中的这些同心圆是铸造而成,但从机械制造与古代青铜范铸学角度来看,都是不可能的。剑首中凸棱与凸棱之间,距离大的不足5毫米,距离小的不足1毫米;在这么小的间隙里要制出泥范来是完全没有可能性的。此剑之所以分三段铸制,其主要原因就是为了便于铸后的车削加工。因剑身较长,如果将整剑安置在车削设备上加工径与首,就容易因偏心而将径或首车废;分别铸造以后,其径部很短,而首部的长度则更短,在设备上车削短件相对车长件就不容易偏心了。因此,如果判断无误的话,凡剑首部有同心圆凸棱的青铜剑,都应为分别铸造及加工的三件组合,至少为两件组合。在战国时代原始机械状态下,若在整铸的剑首上车削出同心圆来而保持不偏心,其可能性不大。

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10为大名鼎鼎的越王勾践剑茎部的放大图,从图中可以看到,剑格部位以上的茎部车痕累累,这是因为在车削剑茎时没有将剑身固定在设备的中心,导至了剑茎被车偏。当调整中心再进行车削加工后,在剑茎上留下了明显的偏心处,图中箭头所指之处为因车偏心而凸起之处。图11为同一把剑茎的另一面,在这一面除也能清楚地看到车痕外,最重要的痕迹是箭头所指之处,就在于与前图剑茎相同部位处是呈相反的凹处,这一凸一凹,正是一个完整的圆被车削偏心的最有力的证明。

122为越王勾践剑首部图,从图中可以看

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到与外圆处在一个同心圆上的一道道凸棱。其凸棱的厚度、高度及凸棱与凸棱之间的距离等,都与前面图7所述青铜剑的剑首相差无几。上海博物馆谭德睿先生及廉海萍女士对东周青铜兵器的装饰技术进行研究后,在《科学》杂志上发表论文认为:“在一些剑首上,有时会出现同心圆装饰技术。这种同心圆由多圈薄仅0.20.8毫米,高约0.51.5毫米,间距仅0.31.0毫米的薄片组成,十分规整,且各同心圆底部常有极细突起的绳纹一类花纹。由此证明剑首必系铸造而成。”3

   众所周知,战国时代铸剑的造

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                            (10)                                (图11)

型工艺普遍采用的是范铸法技术,泥范须在陶模上夯制产生,而厚度仅0.20.8毫米、且垂直无哨度的同心圆的陶模怎样造得出来?夯制泥范时,湿泥料怎么能在这么小的空间里被夯实?即使泥范被夯实在这么小的空间里后,泥料不是金属料,没有相应的整体强度,又怎能完整地与陶模脱开?假设造出了完整的泥范,而铜液又怎么浇得进这0.20.8毫米的范腔空间?在提出的这几个问题里,可以认为,其中每一个问题都可以说明范铸法铸造是无法解决的。这就意味着,同心圆剑首不可能属直接铸造而成,而是采用了先铸造一个没有同心圆的剑首毛坯,然后再采用铸造以外的其它方法加工而成的。因此笔者认为,在没有作过试铸实验、且没有试铸标本的前提下,得出“剑首必系铸造而成” 的结论,难免草率。从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏

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据笔者观察,鄂州市博物馆所藏的那把具有同心圆剑首的青铜剑的剑首,与越王勾践剑剑首的制作工艺完全-致,都具有同心圆凸棱的剑首,两把剑也都为三件分别经车削加工后组合而成。笔者有幸曾将以上所述越王勾践剑、及鄂州出土的那件具有同心圆剑首的青铜剑拿在手中仔细地观察过,发现这两件剑首中的凸棱都是加工态而不是铸态,这一点说明,剑首中的凸棱是用刀具车出来的。以上两把剑首里凸棱与凸棱之间的底部,都较有规律的排列着一道道横槽,这些横槽当是在用刀具车削剑首的凸棱时留下的加工痕迹,因凸棱与凸棱之间的间隙太小,其刀具不可能大于间隙,因此,其刀的几何形状必然细且长,当细长的刀具车到凸棱的低部时,车刀必然会发颤,凸棱与凸棱之间的低部留下的横槽,就是刀具在发颤时留下的凹槽,这些凹槽的角度,是与同心圆凸棱的方向呈垂直的,即谭德睿先生等在文中所描述的“极细突起的绳纹”。即使在现代化的今天,我们在车床上车削类似于剑首几何形状的物体时,如果刀杆过长或者过细,同样会在另件上留下与同心圆剑首里的凹槽一样效果的凹槽的。

以上两剑之所以都为3件组合,是因为剑身太长及设备的精度不够,而使得整剑无法加工。如前文所述越王勾践剑的茎部,从剑格至剑首的总长度不过十几厘米,但从前文的越王勾践剑的两个茎部图中可以看到,在车削加工过程中,还没车到一半长度时就发生了偏心;如果不停下来进行调正,而是继续车削下去的话,由于误差积累作用,当车到接近首部时,茎的直径可能只剩下1/3甚至更小了。所以,将剑的茎部与首部分别铸造及分别加工,由于分解以后的个体长度尺寸得到了最大限度的缩短,如体现在车剑首时,由于这时的首已与整剑分离成为一个单体件,车削加工时就不存在偏心问题了,只需按照所需要的尺寸进行车削加工到功成尺寸。如茎的直径为多少尺寸,首中心的孔径就搪多少尺寸。只有用这种分别加工后组合的车削加工方法,才可能车出我们所看到的同心圆剑首。

生活在战国时代的荀子,正处在大量生产青铜剑的时代。荀子的《强国》篇里云:“刑范正,金锡美,工冶巧,火齐得,剖刑而莫邪已。然而不剥脱,不砥厉,则不可以断绳;剥脱之,砥厉之,则囗盘盂,刎牛马忽然耳”。战国时人们将模称为“刑”,将红铜称之为“金”,将几种金属的合金称之为“齐”,音剂,读第4声。荀子在其“强国”篇的开头就强调了铸剑需得用规整的模()制出规整的范,铜()与锡的配比要适当,工匠要心灵手巧 ,浇铸时的铜液温

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(图13)

()要根据合金()的配比掌握得当,当作到了这些以后,剖开范腔时,一把“莫邪”剑已经铸得。然而,铸造出来的才只是一把“莫邪”剑的毛坯,此时的剑连绳子也割不断。须经“剥脱” 、“砥厉” 后,可以斩断盘、盂,斩杀牛马的头也只是一挥而就。文中的“砥厉”, 可理解为手工用石料在剑上进行磨光,目的是消除掉因“剥脱”加工而留在剑上的痕迹,但这是最后的工序,而荀子提到的“剥脱”句,笔者认为,剥者,削也。只有在先“削”的前提下,才可能后开出“脱”来。剥字在这里应当作为采用某种设备对剑身进行磨削加工操作解。

在中国,最早用于批量生产的设备,大概为陶车了。远在史前文化时期,中国的先民们还处在原始社会里,就已经逐渐发明了陶车。常言道,民以食为天;为了便于生息,人们用泥料在木制的陶车上,车出日常的生活用品,如陶缶、陶碗、陶盘等,后来连人们居住的房屋上的瓦,也是先在陶车上车出一个圆泥桶,待阴干后,再将其分成三块或四块瓦。根据地下出土的陶器制品来看,中国至少在8000年至10000年前,就已经在使用陶车了。人们在制陶的过程中逐渐发现并逐渐发明了冶金技术。进入青铜时代以后,随着冶铜业与铸造业不断发展的同时,人们逐渐发明了皮囊用来进行鼓风;因直接用人力采用皮囊鼓风其风力不具备连续性,为了适应不断扩大的冶炼规模,人们终于发明了人排鼓风及用水车来带动连续鼓风设备。图13为李京华先生 根据西汉南阳郡大型熔炉炉址和勺形坑的共处关系,复原出来的人排鼓风机械示意图。4从图中可看出其结构全为木质,通过大、小两个木齿轮的两级变速,可大大提高人力皮囊鼓风的风量,只是人排鼓风机需人力推动。为了解放人力,人们才又发明了水车带动鼓风设备。其结构自然与人排鼓风机不同,人排鼓风机是用四组人力推动运转,水排机则是有效地利了用流动着的水源来驱动水车,在水车的辐条中段安置一个牵手,利用偏心连从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏(14)

杆原理推动皮囊鼓风。图14为东汉建武7(公元31),杜诗创制出的水排模型。利用水的冲力,通过连杆带动皮囊为炼铁炉鼓风。5据考证,中国在商周时代的一些较大型的冶炼遗址,大多采用的是人排鼓风设备。在与鼓风设备相同的齿轮传动原理基础上,发明磨制铸件毛坯的小设备,应是不难办到的。图15为西汉早期的两枚青铜齿轮, 1955年出土于陕西长安县洪庆村,高0.9cm,径1.5cm两件大小相同,现藏中国历史博物馆。6从图中可以着到,这两枚齿轮显然是在某一台机械设备上起着传动的过桥作用,其方孔的设计,是为了使轴与齿轮在同步运转期间不致出现滑脱现象;其牙齿的规整程度如同在现代的铣床上铣出来一般。从西汉的这两枚小小的青铜齿轮上,我们应该清醒地认识到,其时的机械传动设备的精度,已高于人排与水排许多倍了。

从古代青铜文物看中国机械加工的渊源鈥斺敹俏战国正处在六朝与商周这两个历史阶段之间,(15)并且是生产青铜器最多的历史时期;战国时代生产 的青铜兵器的数量,大大超过了所有历史时期生产 青铜兵器的总和。因此,可以认为,在战国时代里,工匠们为加工一些青铜铸件的毛坯,设计出一些较简易的单用机械设备,应该是不成问题的。

每当提到中国古代机械加工,特别是每当提及有关战国时代的机械加工问题时,大多讳莫如深。虽然目前地下末出土有关古代机械加工设备的文物,但战国时代那么多曾被采用机械加工过的青铜剑,却是客观存在的事实。从那些曾被机械加工过的痕迹来看,与现代机械加工的原理没有明显的不同。笔者以为,考古工作者及科技史工作者应以历史唯物观来看待这一事实,不应受到某某机械设备的发明年代所限制。本文在写作当中曾得到徐劲松、徐国胜先生及王春燕女士的帮助,英文摘要由何建萍女士翻译,图6由杨晓明女士绘制,在此一并表示感谢。

                                             1999117星期日

1】熊亚云《鄂州市燕矶镇坝角村出土一批兵器》江汉考古19903期第92页。

2】图10-12均摘自

3】谭德睿、廉海萍《东周青铜兵器装饰技术》《科学》19982期第44页。

4】李京华《中原古代冶金技术研究》古代熔炉起源和演变第149150页。中州古籍出版社19946月。

5】【6】《中国古代科技文物展》图册第118页,《中国古代科技文物展》编辑委员会编,朝华出版社1997年。

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