107 中央造幣廠分類職 機械工程員 2 (機械製造) 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩部分：一是依碳含量區分鐵碳合金中的鋼與鑄鐵；二是辨認合金元素對鋼材強度、硬度、韌性、耐磨性、淬透性及加工性的影響。

以下採用機械材料常見的教科書分類。碳含量分界在不同教材或規範中略有差異，考試作答時應明確寫出採用的分類範圍。

解題方法

（一）依含碳量區分

鐵系材料的碳含量增加時，通常硬度、強度及耐磨性提高，延性、韌性與焊接性則下降。依常見分類：

鋼與鑄鐵的理論分界常以約 $2.11\%$ 碳含量為參考；實際材料分類及鑄鐵常用範圍會因教材或標準而有差異。作答時可用「約 $2\%$ 以上」表達鑄鐵的典型範圍，並避免把分界寫成毫無例外的精確值。

（二）合金元素對鋼材機械性質的影響

鉻（Chromium） 鉻可提高鋼的淬透性、硬度、強度及耐磨性；形成鉻碳化物時，可增加耐磨與高溫性能。含鉻量足夠時，可提高耐蝕及抗氧化能力。鉻含量增加通常會使延性、韌性及加工性下降。

鉛（Lead） 鉛在鋼中主要用來改善切削性。鉛粒子分散於鋼材中，能促進切屑斷裂並降低刀具與工件間的摩擦，使切削容易、表面品質改善。鉛通常不以提高鋼材強度為主要目的；含鉛鋼的韌性、熱加工性及焊接性可能受到不利影響。

鎢（Tungsten） 鎢能提高硬度、強度及耐磨性，並有助於維持高溫下的硬度與切削性能，常用於高速鋼與工具鋼。鎢也會形成硬質碳化物。其添加量增加通常使鋼材較難加工，韌性與延性可能降低。

鉬（Molybdenum） 鉬可提高淬透性、強度與硬度，並改善高溫強度、抗蠕變能力及回火穩定性。鉬也有助於減輕回火脆性，並可形成碳化物以提升耐磨性能。

核心觀念

本題考查兩部分：常見熔焊法的英文簡稱與中文名稱，以及依兩工作件相對位置辨認五種基本焊接接頭。焊接接頭的分類看的是工件的排列方式；焊縫形狀或焊接程序不改變接頭種類。

解題方法

英文簡稱依各焊接法的英文名稱辨認；作圖時以兩塊工作件的截面表示相對位置，並以焊縫符號示意接合處即可。圖中的斜線表示焊縫，不代表工件本身的斜面。

（一）焊接加工英文簡稱

1. GMAW — 氣體金屬電弧銲 Gas Metal Arc Welding，以消耗性金屬電極及保護氣體進行電弧銲接。

2. GTAW — 氣體鎢極電弧銲 Gas Tungsten Arc Welding，以非消耗性鎢電極及保護氣體進行電弧銲接；常稱氬銲，但保護氣體不限定為氬氣。

3. PAW — 電漿電弧銲 Plasma Arc Welding，以受 constricted（收縮）作用的電漿弧進行銲接。

4. LBW — 雷射束銲 Laser Beam Welding，以聚焦雷射束作為熱源進行銲接。

5. SAW — 潛弧銲 Submerged Arc Welding，電弧及熔池埋藏於顆粒狀銲劑之下進行銲接。

（二）五種基本焊接接頭形式

以下以端面代表工作件截面，/ 表示焊縫位置。

1. 對接（Butt joint）：兩工作件大致位於同一平面，端部相對接合。

────────/────────

2. 角接（Corner joint）：兩工作件在邊緣相接，形成角形，通常呈 L 形。

│/
│
└────────

3. 搭接（Lap joint）：兩工作件彼此重疊，於重疊處接合。

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 /─────

4. T 接（T-joint）：一工作件端部接於另一工作件表面，兩者約呈直角，形成 T 形。

核心觀念

本題考查 CNC 車床程式中地址字（Address）的用途：英文字母指定指令種類，後接數字則提供該指令所需的編號、座標或加工參數。

解題方法

先辨認各地址字的機能，再依題目程式逐一解讀字母後的數值。題目未指定控制器廠牌或程式格式，以下依常見 FANUC 式 CNC 車床慣例說明；特定機台的指令細節仍應以該機台手冊為準。

（一）N、G、F、S、T、M 的機能

• N：段號（Sequence Number），標示程式段的編號，方便識別、搜尋及編輯程式段。
• G：準備機能（Preparatory Function），指定加工方式或控制模式，例如直線插補、圓弧插補、座標系或刀具補正等。
• F：進給機能（Feed Function），指定刀具進給率；車床常見單位為每轉進給（mm/rev）或每分鐘進給（mm/min），依控制模式而定。
• S：主軸機能（Spindle Function），指定主軸轉速，或在特定控制模式下指定切削速度。
• T：刀具機能（Tool Function），選擇刀具，並常包含刀具幾何／磨耗補正號碼。
• M：輔助機能（Miscellaneous Function），控制機台的輔助動作，例如主軸啟停、冷卻液開關及程式結束等。

（二）程式指令逐項解讀

程式段為：

N0010 G01 X20.0 Z30.0 F0.1 S1200 T0201 M08；

• N0010：程式段編號為 0010。
• G01：直線插補指令，刀具以直線路徑移動至指定座標；實際移動速度由進給指令控制。
• X20.0：指定 X 軸目標座標為 20.0。車床的 X 軸通常代表工件直徑方向；座標採直徑值或半徑值，依控制器設定而定。
• Z30.0：指定 Z 軸目標座標為 30.0，沿主軸方向定位。正負方向及座標基準依工件座標設定而定。
• F0.1：進給率為 0.1。常見車床格式下表示每主軸轉進給 0.1 mm，即 $0.1\ \text{mm/rev}$；

核心觀念

金屬切削時，刀具以切削刃壓入工件，切削刃前方的材料先受壓縮與剪切，沿剪切面產生塑性變形，接著從工件分離成切屑。切屑形態受工件材料延性、切削速度、進給量、切深、刀具幾何形狀、刀具與工件間摩擦及潤滑狀況影響。

（1）積屑刀型切屑（BUE）

積屑刀（built-up edge, BUE）是切削時，工件材料因高壓與摩擦黏附在刀具前刀面、靠近切削刃處，逐層堆積並硬化形成的材料層。它會暫時充當新的切削刃，因此又稱積屑刀型切屑。

其形成原因如下：

1. 切屑與刀具前刀面接觸處承受很大的壓力，且相對滑動產生摩擦熱。
2. 當工件材料延性較高、對刀具材料有較強黏著傾向時，材料容易黏著在前刀面。
3. 黏著材料因持續受壓及加工硬化，逐漸堆積成積屑刀；積屑刀可能反覆形成、長大、破裂並脫落。
4. 積屑刀脫落時，可能帶走刀具材料或刮傷已加工表面，使表面粗糙度與尺寸精度變差。

BUE 常見於低至中等切削速度、切屑與前刀面接觸時間較長、刀具前角較小、摩擦較大或潤滑不足的情況。

（2）非連續切屑

非連續切屑是切削時，材料未形成連續帶狀切屑，而是以分離的片段或碎塊排出的切屑。

形成原因主要有兩類：

1. 材料脆性大：​脆性材料塑性變形能力低，切削時裂紋容易在切削刃前方或剪切區形成並擴展，材料因而斷裂成碎片。
2. 切削條件使切屑易分段：​即使工件具有一定延性，若進給量或切深較大、切削速度較低、刀具前角較小，或刀具與切屑間摩擦及振動較大，也可能使剪切變形不穩定，切屑反覆斷裂而呈非連續狀。

非連續切屑有利於切屑排出與處理，但形成時的切削力波動較大，可能造成振動、刀具磨耗及加工表面品質下降。

解題方法

本小題先按切屑外觀與形成機制區分：BUE 是「材料黏附、堆積在刀具前刀面」；非連續切屑則是「切屑本身斷裂成分段」。再分別說明促成黏著或斷裂的材料特性與切削條件，即可完整作答。

（二）減少積屑刀型切屑（BUE）的方法

核心觀念

減少 BUE 的重點是降低工件材料黏附於刀具的機會、減少刀具與切屑間摩擦，並縮短切屑在前刀面上的接觸與停留。可從切削條件、刀具幾何、刀具材料與潤滑四方面改善。

解題方法與作法

1. 提高切削速度：​適度提高速度通常可縮短切屑與前刀面的接觸時間，降低穩定積屑刀形成的機會。但速度須配合刀具耐熱性與工件材料，避免因切削溫度過高造成其他磨耗。
2. 使用較大的刀具前角：​適當增加前角可減少切屑變形及切削阻力，並改善切屑流動，降低前刀面上的壓力與摩擦。