生产工程 - 第一讲：导论与基础
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课程介绍
教授强调生产工程是机械工程专业学生的一门关键课程，学生们将来会作为有知识、受过教育的工程师为社会服务。许多学生可能会在各种公司和政府部门担任生产工程师，开发技术和产品。教授强调了出席课堂和积极参与的重要性。
考试信息：
- 期末考试将在课程完成后至少一周后安排，以便有准备时间
- 考题会相对简单，特别考虑到语言障碍
- 将提供小组作业机会获取额外加分
生产工程的定义
生产工程是机械工程的一个领域，关注如何通过高效、经济且高质量的制造系统将原材料转化为成品。
关键要素：
- 将原材料转化为成品
- 制造过程的效率
- 生产中的经济考量
- 制造中的质量标准
教授解释说，原材料是未经加工的原始材料，如金属、元素、木材、土壤和碳。非原材料的例子包括塑料部件和医疗部件等制成品。
生产工程的三大支柱
生产工程建立在三个基本支柱之上：
1. 材料
- 没有材料就无法进行生产
- 包括金属、合金、非金属、复合材料等
- 材料选择是生产工程中最关键的第一步
- 错误的材料选择会导致整个制造过程失败
- 举例：苹果iPhone 16钛材料选择问题导致过热
2. 工艺
- 加工材料的方法和技术
- 包括成型、铸造、机加工、连接等
- 工艺决定了产品的精度和质量
3. 系统
- 生产方式和组织
- 大规模生产与手工生产
- 传统与现代生产系统
- 包括能源需求和人力劳动考虑
- 现代系统越来越多地采用机器人技术
支柱整合： 当这三个支柱有效结合时，就能实现成功的生产工程。生产工程位于材料、工艺和系统/自动化的交汇点。
生产的历史发展
生产的演变经历了几个明显不同的时代：
手工时代：
- 手工制品和工艺
- 个体工匠创造商品
工业革命（18世纪）：
- 机械化和大规模生产
- 约始于1750-1850年
- 从手工制作到机器制造的重大转变
20世纪：
- CNC（计算机数控）系统
- 数控系统
- 自动化机制
21世纪（当前）：
- 人工智能（AI）
- 智能工厂
- 智能制造系统
在这一演变过程中，核心焦点一直是提高制造效率和精度。
生产工程的核心领域
教授概述了构成本课程基础的五个核心领域：
材料科学：
- 理解各种材料的性质和行为
- 为特定应用选择适当的材料
制造工艺：
- 转化材料的方法和技术
- 创造产品的不同方法
生产系统：
- 生产设施的组织和管理
- 工作流程优化
质量与自动化：
- 质量控制方法和标准
- 在制造中实施自动化
可持续性与智能制造：
- 环保生产方法
- 集成先进技术实现智能制造
制造过程链
制造被描述为一个连续的、相互关联的过程链。教授概述了以下顺序步骤：
材料选择
- 根据产品需求选择适当材料
- 影响所有后续过程的关键第一步
铸造或成型
- 材料的初步成型
机械加工
- 通过切削、钻孔等精确成型
连接
- 连接组件
表面处理
- 增强表面特性
热处理
- 通过控制加热和冷却改变材料特性
质量控制
- 确保产品符合规格
教授强调，高效的过程规划将工程师与技工区分开来。过程规划的关键方面包括：
- 例行程序
- 调度
- 派遣
- 生产布局
- 库存和材料流管理
- 工作图表
- 动作研究
生产中的过程平衡
介绍的一个关键概念是在三个关键因素之间取得平衡的必要性：
- 低成本 - 经济生产
- 短制造时间 - 生产效率
- 高质量 - 达到或超过质量标准
教授强调，没有平衡这三个要素，就不会有成功的生产。如果任何一个因素以牺牲其他因素为代价而被优化（例如，降低成本同时牺牲质量），整个生产系统将不会成功。
提到实现这种平衡的方法包括：
- 六西格玛方法
- 精益制造（LM）技术
材料分类
教授提供了工程材料的全面分类：
金属材料
黑色金属（含铁）
- 钢
- 铸铁
- 磁性：是
- 耐腐蚀性：低
- 应用：结构、汽车
有色金属（不含明显铁成分）
- 铝
- 铜
- 钛
- 锌
- 镍
- 铅
- 磁性：通常否（有例外，如镍）
- 耐腐蚀性：高
- 应用：航空航天、电子、电气
非金属材料
- 聚合物（塑料）
- 陶瓷
- 复合材料
先进材料
- 教授提到稀土元素，指出中国拥有全球约90%的供应量
- 这些元素对各种高科技应用至关重要，包括磁铁和电子设备
生产工程师的角色
生产工程师有多种责任：
工艺设计与优化
- 设计高效的制造工艺
- 持续改进现有工艺
设备选择
- 选择适当的机器和工具
- 确保与生产需求兼容
材料行为分析
- 了解材料在各种条件下的表现
- 预测材料对制造工艺的反应
成本估算与控制
- 为生产活动做预算
- 控制支出
确保质量与安全
- 实施质量控制系统
- 维持安全标准
教授强调，生产工程师不仅仅是技术人员，而是整合材料、设计和数据来创造智能、清洁制造工艺的战略家。
工程师的教育路径
教授概述了工程专业学生的教育进阶：
学士学位（4年）
- BENG：工学学士
- 入门级职位的基本资格
硕士学位（额外2-3年）
- 更高级别的专业化
- 改善就业前景和晋升机会
博士学位（额外4-6年）
- 最高学术资格
- 打开研究职位和大学教学的大门
- 教授分享了他个人教育总共用了13年的经历
教授指出，拥有高级学位在就业市场中提供竞争优势，特别是对于管理和领导职位。
专业术语
| 术语 | 定义 |
|---|---|
| 生产工程 | 机械工程领域，关注通过高效、经济且高质量的制造系统将原材料转化为成品 |
| 原材料 | 未加工的原始材料，如金属、元素、木材、土壤和碳 |
| 大规模生产 | 在相对短的时间内制造大量标准化产品 |
| CNC | 计算机数控，通过计算机编程自动控制机床 |
| 黑色金属 | 含铁金属，如钢和铸铁 |
| 有色金属 | 不含明显铁成分的金属，如铝、铜和钛 |
| 稀土元素 | 一组17种金属元素，是许多高科技设备的必要组成部分 |
| 六西格玛 | 旨在通过识别和消除缺陷原因来改进过程的方法 |
| 精益制造 | 专注于最小化浪费同时最大化生产力的生产实践 |
| 增材制造 | 通过逐层添加材料创建物体的过程（如3D打印） |
| 过程链 | 从原材料到成品的制造顺序步骤 |
| 材料选择 | 制造过程中涉及选择适当材料的关键第一步 |
| 可持续性 | 创建和维持人类与自然可以和谐共存的条件 |
| 智能制造 | 采用计算机集成制造、高度适应性和快速设计变更的制造方法 |