核心觀念

本題考查機械製造加工法的分類，判斷依據是加工時材料的主要變化方式：

1. 傳統切削加工法：利用刀具的幾何切刃，以機械力切除工件材料，形成切屑。
2. 非傳統切削加工法：不依靠傳統刀具直接切削，而利用電能、熱能、化學能等移除材料。
3. 成型加工法：不以切除材料為主，而是改變材料形狀，或使材料依模具成形。
4. 接合加工法：將兩個以上的工件或材料連結成一體。

分類時應先判斷是否「移除材料」；若不是，再判斷是「改變形狀」或「連結材料」。

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解題方法

依加工原理逐項判斷：

• 以旋轉刀具或銑刀切除材料者，屬傳統切削。
• 以放電、雷射或電化學作用移除材料者，屬非傳統切削。
• 以澆注、塑性變形或模具使材料成形者，屬成型。
• 以機械方式將材料固定、連結者，屬接合。
• 電鍍本質上是利用電化學沉積，在工件表面形成金屬鍍層，屬於非切削性的表面處理；若本題限定歸入四大類，通常併入廣義成型加工中的「增積、覆層加工」。

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各加工法分類分析

加工法	分類	判斷理由
車削	傳統切削加工法	工件旋轉，車刀沿進給方向切除材料，產生切屑。
鍛造	成型加工法	利用壓力或衝擊力，使金屬產生塑性變形而成形，不以切除材料為主。
放電加工	非傳統切削加工法	利用工具電極與工件間的脈衝放電，使工件局部熔化、汽化並被排除。
鉚接	接合加工法	利用鉚釘的塑性變形，將兩個以上工件永久連結。
銑削	傳統切削加工法	利用具有多個切削刃的銑刀旋轉切除工件材料，形成切屑。
雷射加工	非傳統切削加工法	利用雷射集中能量，使材料熔化、汽化或剝離，以完成切割、鑽孔或雕刻。
鑄造	成型加工法	將熔融金屬澆入模具，冷卻凝固後取得所需形狀。

核心觀念

本題考查金屬塑性加工中「熱作」與「冷作」的定義、加工特性，以及鍛造的基本方法。

判斷熱作或冷作的關鍵，不是單純看加工時是否加熱，而是看加工溫度與材料的再結晶溫度 $T_R$ 的關係：

• 熱作（hot working）：加工溫度高於材料的再結晶溫度。
• 冷作（cold working）：加工溫度低於材料的再結晶溫度，通常在室溫進行。
• 溫作（warm working）：加工溫度介於冷作與熱作之間，常用以兼顧成形性與尺寸精度。

熱作時，材料在塑性變形過程中可發生再結晶，消除加工硬化；冷作則會產生加工硬化與殘留應力。

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解題方法

作答時可依下列順序：

1. 先以「再結晶溫度」定義熱作與冷作。
2. 再從加工溫度、變形抗力、加工硬化、尺寸精度、表面品質、材料利用率等方面比較優缺點。
3. 最後說明鍛造是利用模具或工具，使金屬受到壓縮而產生塑性流動；並指出鍛造可分為熱鍛、溫鍛及冷鍛，傳統鍛造通常以熱鍛為主。

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（一）熱作和冷作的主要差異【5 分】

1. 加工溫度不同

熱作的加工溫度高於材料再結晶溫度：

$$T_{\text{加工}}>T_R$$

冷作的加工溫度低於材料再結晶溫度：

$$T_{\text{加工}}<T_R$$

再結晶溫度通常約為材料熔點絕對溫度的 $0.3\sim0.5$ 倍，但實際數值會受材料純度、合金成分、變形速度及變形量影響。

2. 加工硬化情形不同

• 熱作時，變形造成的加工硬化會被動態或靜態再結晶抵消，因此材料可持續變形而不易硬化。
• 冷作時，位錯密度增加，產生加工硬化，使材料的強度、降伏強度與硬度提高，但延性及韌性下降。

3. 變形抗力不同

• 熱作時材料軟化，變形抗力及所需加工力較低。
• 冷作時材料強度較高，變形抗力及加工力較大。

4. 尺寸精度與表面品質不同

• 熱作容易產生熱收縮、氧化皮及溫度不均，因此尺寸精度與表面品質較差。
• 冷作不會產生高溫氧化皮，尺寸精度及表面光潔度較佳。

5. 材料組織變化不同

• 熱作可改善鑄造組織，壓合孔隙，細化晶粒，並使纖維流線沿工件形狀分布。
• 冷作會使晶粒產生變形與方向性，形成纖維組織及殘留應力。

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（二）熱作和冷作的優點與缺點【10 分】

1. 熱作

優點

（1）塑性高、可加工量大

高溫可提高金屬塑性，降低變形抗力，因此適合大變形量及大型工件加工。

（2）加工力及設備負荷較小

材料在高溫下較軟，所需鍛壓力、軋製力或擠壓力較低，設備尺寸及負荷可相對降低。

（3）可消除加工硬化

熱作時產生再結晶，使材料不會因連續變形而持續硬化，適合多道次加工。

（4）改善內部缺陷與鑄造組織

熱作可使鑄件中的孔隙、疏鬆等缺陷受到壓實，並破碎粗大晶粒及偏析組織，使組織較均勻。

（5）可獲得較佳的機械性質

鍛造等熱作方法可使晶粒細化，並使纖維流線依工件形狀分布，提升工件的強度、韌性及疲勞壽命。

缺點

（1）尺寸精度較差

工件出爐後會發生冷卻收縮，且加工溫度分布不均，容易造成尺寸誤差及變形。

（2）表面容易氧化

高溫下會形成氧化皮，氧化皮可能造成表面缺陷，也會增加材料損耗。

（3）表面品質較差

氧化、脫碳及模具磨耗會使表面粗糙，通常仍需後續切削或表面加工。

（4）能源消耗較大

材料需加熱至高溫，會增加燃料、電力及設備保溫成本。

（5）加工環境較差

高溫作業會產生熱輻射、煙塵及氧化物，對作業安全與環境控制要求較高。

（6）不適合要求高精度的最終成品

熱作後仍需考慮熱收縮及冷卻變形，因此通常不直接作為精密尺寸的最後加工。

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2. 冷作

優點

（1）尺寸精度高

冷作時不必考慮高溫熱膨脹、冷卻收縮及氧化皮，適合製造尺寸精確的零件。

（2）表面光潔度佳

加工表面不易形成氧化皮，通常可得到較佳的表面品質。

（3）加工硬化可提高強度

冷作所產生的加工硬化可提高材料的降伏強度、抗拉強度及硬度，適合需要高強度的零件。

（4）材料利用率高

冷作常以板金沖壓、冷鍛、拉深、彎曲等方式成形，切削量少，材料損耗較低。

（5）生產效率高

適合使用模具進行大量生產，容易實現機械化及自動化。

缺點

（1）加工力大

材料在冷作過程中會加工硬化，變形抗力提高，因此需要較大的設備能力及模具強度。

（2）可加工變形量有限

材料延性逐漸下降，若變形量過大，容易產生裂紋或破裂，必要時需進行中間退火。

（3）容易產生殘留應力

不均勻塑性變形會使工件內部產生殘留應力，可能導致後續加工變形或尺寸不穩定。

（4）材料延性及韌性下降

加工硬化雖可提升強度，但會降低延性、韌性及後續成形能力。

（5）模具磨耗較大

冷作需要較大的成形力，模具容易承受高應力及磨耗，模具設計與材料要求較高。

（6）可能產生方向性

晶粒及纖維組織會沿變形方向排列，使材料性質具有異向性。

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核心觀念

本題考查 ISO 對燒結碳化物刀具之切削用途分類，以及同一類別內刀具牌號數字所代表的性能取向。

燒結碳化物刀具主要由碳化鎢、碳化鈦等硬質碳化物，加上鈷等結合劑燒結製成，具有高硬度、耐磨耗性及耐熱性。其選用必須配合工件材料、切削速度、進給量、切削深度及切削是否連續。

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解題方法

先依工件材料判斷 ISO 三大用途類別：

• P 類：主要切削鋼材。
• M 類：主要切削不鏽鋼及難切削材料。
• K 類：主要切削鑄鐵及非鐵金屬材料。

再判斷同一類別內的編號：

• 號數較低：硬度及耐磨耗性較高，適合高速、連續及精加工。
• 號數較高：韌性及抗破損能力較高，適合粗加工、斷續切削及振動較大的情況。

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（一）ISO 三類燒結碳化物刀具及適用材料【10 分】

1. P 類：鋼材用燒結碳化物

P 類通常以藍色標示，適用於切削：

• 碳鋼
• 合金鋼
• 工具鋼
• 鑄鋼
• 其他以鐵為基礎且切屑呈連續帶狀的鋼材

鋼材切削時，切屑通常較長，且容易產生較高切削溫度，因此 P 類刀具重視抗月牙窪磨耗及耐熱性能。

常見牌號範圍為 $P01$ 至 $P50$。例如：

• $P01$、$P05$：適合高速精加工，耐磨耗性佳但韌性較低。
• $P30$、$P40$、$P50$：適合粗加工及斷續切削，抗衝擊能力較佳。

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2. M 類：不鏽鋼及難切削材料用燒結碳化物

M 類通常以黃色標示，適用於切削：

• 奧氏體不鏽鋼
• 鐵素體不鏽鋼
• 麻田散鐵不鏽鋼
• 耐熱合金
• 鎳基、鈷基合金
• 部分鈦合金及其他難切削材料

此類材料常具有加工硬化、導熱性差、切削溫度高及切削阻力大的特性，因此 M 類刀具必須兼顧耐磨耗性與韌性。

常見牌號範圍約為 $M10$ 至 $M40$，實際牌號依製造商及標準系統而有所不同。

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3. K 類：鑄鐵及非鐵金屬用燒結碳化物

K 類通常以紅色標示，適用於切削：

• 灰口鑄鐵
• 球墨鑄鐵
• 可鍛鑄鐵
• 銅及銅合金
• 鋁及鋁合金
• 黃銅、青銅
• 非金屬硬脆材料

鑄鐵切削時常產生短碎屑，但鑄鐵表面可能含有硬質砂粒、氧化皮或冷硬層，容易造成刀具磨粒磨耗。因此 K 類刀具通常重視耐磨耗性及抗崩刃能力。

核心觀念

本題綜合考查鑄造中鑄模的基本要求、砂模模型裕度、金屬模特性，以及鑄件熱處理目的。作答時應掌握「鑄模要能承受澆注、排出氣體並耐高溫」的主軸，再分別說明模型尺寸修正、金屬模的生產特性及鑄件組織改善方法。

解題方法

各小題可依下列方式作答：

1. 鑄模三要件：列出鑄模必須具備的三項基本性能。
2. 砂模模型裕度：列出模型製作時，因收縮、加工及脫模等因素所預留的修正量。
3. 金屬模：以「生產效率與品質」說明優點，以「成本、形狀限制及熱傳問題」說明缺點。
4. 鑄件熱處理：從鑄造後的內應力、組織、成分均勻性、機械性質及尺寸穩定性說明。

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（一）鑄模三要件【5 分】

鑄模通常應具備下列三項基本要件：

1. 足夠的強度

鑄模須具有足夠的抗壓強度及耐磨性，以承受：

• 模型取出時的外力；
• 搬運及合模時的作用力；
• 熔融金屬澆注時的衝擊；
• 金屬凝固收縮所產生的作用力。

若強度不足，容易發生塌模、沖砂、砂粒脫落，使鑄件產生砂孔、夾砂及尺寸不良。

2. 良好的透氣性

熔融金屬進入模穴時，模內空氣、水氣及黏結劑分解所產生的氣體，必須能順利排出。因此鑄模須具有適當的透氣性。

透氣性不足時，容易造成：

• 氣孔；
• 鑄件未充滿；
• 澆注時金屬液飛濺；
• 背壓造成的流動不良。

透氣性過大時，則可能使模砂強度降低，並使金屬液滲入砂粒間隙。

3. 良好的耐火性

鑄模須能承受熔融金屬的高溫，不與金屬液發生嚴重化學反應，也不可因高溫而熔融、軟化或剝落。

耐火性不足會造成：

• 模壁熔蝕；
• 鑄件表面粗糙；
• 黏砂；
• 夾雜物及表面缺陷。

因此，鑄模三要件可記為：「強度、透氣性、耐火性」。

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（二）砂模的五種模型裕度【5 分】

砂模模型通常須考慮下列五種模型裕度：

1. 收縮裕度

金屬由液態冷卻至室溫時會發生體積收縮，因此模型尺寸須比鑄件圖面尺寸適度放大，以補償金屬凝固及冷卻時的收縮。

收縮裕度大小與下列因素有關：

• 金屬材料種類；
• 鑄件形狀及尺寸；
• 澆注溫度；
• 冷卻速度；
• 鑄造方法。

2. 加工裕度

鑄件通常須經車削、銑削、鑽孔或研磨等機械加工，因此模型須在加工面預留加工裕度，使鑄件凝固後仍有足夠金屬可供加工。

加工裕度過小，無法完全去除鑄造表面缺陷；過大則會增加材料消耗及加工時間。

3. 拔模裕度

為使模型能順利自砂模取出，垂直於分模面的表面須設置拔模斜度。拔模斜度可避免取模時拉傷模壁或破壞模穴。

一般而言：

• 高而深的表面，拔模斜度應較大；
• 模型表面越粗糙，所需拔模斜度越大；
• 木模通常比金屬模需要較大的拔模斜度。

4. 變形裕度

鑄件冷卻收縮不均時，可能因各部位冷卻速度不同而產生彎曲、翹曲或扭曲。對於容易變形的鑄件，模型須預先製成與預期變形方向相反的形狀，以抵銷鑄造後的變形。

常見於：

• 長而薄的鑄件；
• 形狀不對稱的鑄件；
• 厚薄差異大的鑄件；
• 具有肋、凸臺或孔洞的鑄件。

5. 敲模裕度

取出模型時，常須輕微敲擊或搖動模型，使模型與模砂分離。敲模會使模穴尺寸產生些微擴大，因此模型製作時須考慮此項尺寸影響。

敲模裕度通常與模型材質、形狀、模砂性質及取模方式有關。

解題技巧

五種裕度可記憶為：

「收、工、拔、變、敲」

亦即：

• 收縮裕度；
• 加工裕度；
• 拔模裕度；
• 變形裕度；
• 敲模裕度。

其中「拔模裕度」主要是幾何斜度，「收縮、加工、敲模」則主要涉及尺寸，「變形裕度」主要用來修正形狀。

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（三）使用金屬模的優缺點【10 分】

金屬模又稱永久模，通常以鑄鐵、鋼或耐熱合金製成，可重複使用。其優缺點如下。

優點

1. 可重複使用，適合大量生產

金屬模不必像砂模一樣每次澆注後重新製作，因此可大幅提高生產效率，適合大量及連續生產。

2. 鑄件尺寸精度較高

金屬模本身剛性高，不易因澆注壓力而變形，因此鑄件尺寸較穩定，尺寸精度通常優於一般砂模鑄造。

3. 鑄件表面較光滑

核心觀念

本題考查：

1. 車削與銑削的加工運動及刀具型式差異。
2. 車削材料移除率（Material Removal Rate, MRR）的計算。

車削的常用材料移除率公式為：

$$\text{MRR}=\pi D d f N$$

其中：

• $D$：工件直徑，單位為 $\text{mm}$
• $d$：徑向切削深度，單位為 $\text{mm}$
• $f$：每轉進給量，單位為 $\text{mm/rev}$
• $N$：主軸轉速，單位為 $\text{rev/min}$

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（一）車削與銑削最主要的差異

1. 主要切削運動不同

• 車削：工件旋轉，車刀進行直線進給運動。
• 銑削：銑刀旋轉，工件或工作台進行進給運動。

因此，車削是以工件旋轉作為主要切削運動；銑削則是以多刃銑刀旋轉作為主要切削運動。

2. 刀具型式不同

• 車削通常使用單刃或少數切削刃的車刀。
• 銑削使用具有多個切削刃的旋轉銑刀。

3. 切削形式不同

• 車削通常可視為連續切削，刀具與工件維持較連續的接觸。
• 銑削屬於間歇切削，每一個銑齒依序進入及離開工件，切削厚度會隨刀齒位置改變。

4. 適用加工形狀不同

• 車削主要適合加工旋轉對稱表面，例如外圓、內孔、端面、錐面及螺紋。
• 銑削主要適合加工平面、溝槽、階梯面、齒形及複雜輪廓。

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（二）材料移除率計算

解題方法

車削時，每轉一圈，刀具沿進給方向前進 $f$，切削截面積約為：

$$A=d\times f$$

工件表面在每分鐘內移動的切削距離為：

$$L=\pi D N$$

因此，材料移除率為：

$$\text{MRR}=A\times L$$

即：

$$\text{MRR}=df\cdot \pi DN =\pi Dd fN$$

代入題目數據

已知：

$$D=100\text{ mm}$$ $$N=600\text{ rev/min}$$

核心觀念

本題考查機械零件的兩種表面工程概念：

1. 表面塗層：在工件表面附著另一種材料，以提高耐蝕性、耐磨性、耐熱性、裝飾性或尺寸修復能力。
2. 表面層硬化：只使工件表層具有高硬度與耐磨性，內部仍保有較高韌性，以兼顧「表面耐磨」與「心部抗衝擊」。

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解題方法

作答時先依「處理後表面所形成的材料種類」分類表面塗層；再依「硬化層形成的技術原理」分類表面層硬化法。

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（一）表面塗層的三類及實例【5 分】

1. 金屬塗層

以金屬材料覆蓋工件表面，主要用途包括防蝕、耐磨、增加表面硬度及改善導電性。

常見方法有電鍍、化學鍍、熱浸鍍、熔射及堆焊等。

例：鍍鉻

在鋼製活塞桿或模具表面鍍鉻，可提高表面硬度、耐磨性及耐蝕性。

其他例子包括鍍鋅、鍍鎳、鍍銅及熱浸鍍鋅。

2. 無機非金屬塗層

以陶瓷、玻璃、氧化物或其他無機非金屬材料形成表面層，通常具有耐熱、耐蝕、絕緣或耐磨等特性。

例：搪瓷塗層

在鋼板表面覆以玻璃質搪瓷，可提高耐蝕性、耐熱性及表面清潔性，常見於浴缸、鍋具及化工設備。

其他例子包括陶瓷塗層、氧化鋁塗層及硬質陽極氧化膜。

3. 有機塗層

以有機高分子材料形成表面膜，主要作用為隔絕水分、氧氣及腐蝕性介質，也可提供裝飾效果。

例：油漆塗層

在鋼結構或機械外殼表面塗裝油漆，可隔絕空氣與水分，防止鋼材生鏽。

其他例子包括塑膠塗層、環氧樹脂塗層及橡膠襯裡。

小結

類別	塗層材料	例子
金屬塗層	金屬	鍍鉻、鍍鋅
無機非金屬塗層	陶瓷、玻璃、氧化物	搪瓷、陶瓷塗層
有機塗層	油漆、樹脂、塑膠	油漆、環氧樹脂

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（二）表面層硬化法的兩大類及實例【5 分】

1. 表面淬火法