המהפכה התעשייתית
התפתחות טכנולוגית > כלים מכניים

מכניקה קדם-תעשייתית נבנתה על ידי מגוון בעלי מלאכה: בוני טחנות הקימו טחנות מים ורוח, נגרים הכינו מסגרות מעץ ונפחים וחרטים ייצרו חלקי מתכת. רכיבי עץ סבלו משינוי בממדיהם בהשפעת טמפרטורה ולחות והמפרקים השונים נטו להימתח (לעבוד רפוי) עם הזמן. כאשר המהפכה התעשייתית התקדמה, מכונות עם חלקים ומסגרות ממתכת נהפכו לנפוצות יותר. שימושים חשובים אחרים של חלקי מתכת היו לכלי נשק ומחברים כמו ברגים, בריחים ואומים. בנוסף היה קיים צורך בדיוק בייצור רכיבים. דיוק היה יכול לאפשר מכניקה העובדת טוב יותר, שימוש בחלקים חליפיים וסטנדרטיזציה של מחברים.
הדרישה לכלי מתכת הובילה לפיתוח מספר כלים מכניים. המקורות של כלים אלו היו בכלים שפותחו במהלך המאה ה-18 על ידי יצרני שעונים ויצרני מכשירים מדעיים כדי לאפשר להם ייצור קבוצתי של מנגנונים קטנים.
לפני ההופעה של הכלים המכניים, מתכות עובדו ידנית בעזרת כלים פשוטים כמו פטישים, פצירות, מסורים ואיזמלים. כתוצאה מכך, השימוש בחלקי מכונות ממתכת היה מינימלי. השיטות לייצור ידני היו מפרכות ויקרות, והיה קשה להשיג איתן דיוק טוב.
הכלי המכני המדויק הגדול הראשון היה מכונת הקידוח הגלילית, שהומצאה על ידי ג'ון ווילקינסון בשנת 1774. נעשה בה שימוש לקדיחה של צילינדרים בעלי היקף גדול למנועי קיטור מוקדמים. המכונה של ווילקינסון הייתה שונה מהמכונות המוקדמות, הנתמכות בקורה, לקדיחת קני תותחים בכך שכלי החיתוך הוצב על קורה שנמשכה לכל אורך הגליל הנקדח ונתמכה משני הצדדים שלו, ולא רק מצד אחד כמקודם.
מכונת ההקצעה, מכונת הכירסום (הכרסומת) ומכונת העיצוב פותחו בעשורים הראשונים של המאה ה-19.
רעיונות ראשוניים לבניית מכונות הקצעה עלו בצרפת של שנות ה-50 של המאה ה-18. בסוף העשור השני של המאה ה-19 מגוון חלוצים במספר סדנאות בריטיות (כולל ג'יימס פוקס, ג'ורג' ריניי, מת'יו מוראיי, ג'וזף קלמנט וריצ'רד רוברטס) פיתחו את מכונות ההקצעה לכלי מכני כמו שמקובל כיום.
הכירסומת התפתחה משיוף סיבובי, כלומר שימוש בכלי חיתוך מעגלי מסתובב כאמצעי חיתוך במחרטה. ידועה פצירה סיבובית כזאת שנוצרה על ידי ז'אק דה ואוקנסון בערך ב-1760. בשנת 1795 אלי טרי השתמש במכונת כירסום בפלימות', קונטיקט כדי לייצר חלקי שעונים מעץ והיה הראשון ליצור חלפים סטנדרטיים לתעשיית השעונים. הכירסומות המובחנות הראשונות (כאלה שהיו שונות מסתם מחרטה עם ראש מסתובב) נוצרו בין השנים 1814 ל-1818 בשתי נשקיות פדרליות של ארצות הברית ובמספר נשקיות פרטיות. לא ברור מי יצר את הכרסומת הראשונה, היסטוריונים שונים מציינים את איליי ויטני, רוברט ג'ונסון, ג'ון הל וסיימון נורת' כחלוצים בתחום. אף על פי שמכונת הכירסום (הכרסומת) הומצאה בזמן ההוא, היא לא פותחה ככלי עבודה רציני עד תקופה מאוחרת יותר במאה ה-19.
סמואל בנתאם פיתח מכונת עיצוב בין השנים 1791 ל-1793. למרות זאת, יש שמייחסים את ההמצאה לג'יימס נסמית' בשנת 1836.
מחרטת המתכת הראשונה הכוללת מאחז כלים נע הומצאה על ידי ז'אק דה ואוקנסון בשנת 1751 ותועדה באנציקלופדיה הגדולה. המחרטה נועדה לייצר מכבשים גליליים מדויקים כדי להטביע דוגמאות על בגדי משי.
בשנת 1774 ג'אן ורברוגן, נפח-אומן בבית יציקת התותחים המלכותי (Royal Gun Foundry) שברויאל ארסנל, ווליץ', התקין מכונת קידוח אופקית לקדיחת קני תותחים. כיוון שהמכונה סובבה את הקנים בניגוד לתנועת כלי החיתוך, מבחינה טכנית זאת הייתה המחרטה הראשונה בגודל תעשייתי בבריטניה. הנרי מודסלאי, שהיה שוליה של ורברוגן, הועסק מאוחר יותר על ידי ג'וזף בראמה בייצור מנעולי מתכת בעלי רמת אבטחה גבוהה, דבר שהצריך אומנות מדויקת. בראמה רשם פטנט על מחרטה עם קווי דמיון למחרטה עם מאחז כלים נע, ומודסלאי שכלל את המחרטה עם מאחז כלים נע, ויצר מחרטה שיכולה לחתוך ברגים מכניים עם זוויות תבריג משתנות בעזרת שימוש בגלגלי שיניים ניתנים להחלפה בין הציר לפס השיניים שמניע את המאחז. לפני ההמצאה שלו, דגמי המחרטות המוקדמים, שחלקם הועתקו מתבנית, לא איפשרו לחתוך בצורה מדויקת ברגים. המחרטה עם מאחז הכלים הנע נחשבת לאחת ההמצאות החשובות בהיסטוריה. אף על פי שזאת לא הייתה לחלוטין המצאה של מודסלאי, הוא היה האדם הראשון שבנה מחרטה מעשית שמשתמשת בשילוב בין ההמצאות הידועות מאחז כלים נע, פס שיניים וגלגלי שיניים מתחלפים.
מאוחר יותר, כאשר מודסלאי פתח סדנה לבניית גלגלות לספינות של הצי המלכותי במפעל הגלגלות של פורטסמות', הוא בנה את המכונות הראשונות לייצור המוני ולהכנת רכיבים עם מידה של חילופיות. מכונות אלו היו עשויות ממתכת בלבד. בסדנאות של מודלסאי התאמנו דור של בנאי כלים כמו ריצ'רד רוברטס, ג'וזף קלמנט וג'וזף וויטוורת'.
ההשפעה של כלים מכניים במהלך המהפכה התעשייתית לא הייתה רבה מכיוון שחוץ מכלי נשק, מחברים מוברגים ועוד כמה תעשיות קטנות היו מעט חלקי מתכת בייצור המוני. הטכניקות לייצור המוני של חלקי מתכת בעלי דיוק מספיק כדי לשמש כחלפים סטנדרטיים מיוחסות בעיקר לתוכנית של משרד המלחמה האמריקאי ששכלל את החלקים החליפיים לכלי נשק בתחילת המאה ה-19.
באמצע המאה, בעקבות ההמצאה של כלים מכניים בסיסיים, תעשיית המכונות נהפכה למגזר התעשייתי הגדול ביותר בארצות הברית, לפי ערך מוסף.