115 身心障礙特考三等 機械工程 機械製造學 考古題詳解

（一）電腦數值控制（CNC）加工技術

核心觀念

電腦數值控制（Computer Numerical Control, CNC）是以數值資料描述刀具與工件間的相對運動及加工條件，再由控制器解讀程式，控制工具機各軸、主軸與輔助裝置完成加工。它把傳統工具機的人工操作轉為依程式執行的自動化加工。

典型 CNC 系統包含：

1. 程式與資料輸入：輸入零件加工碼、刀具資料、工件座標與加工條件。
2. CNC 控制器：解讀程式區塊，進行座標轉換、插補運算及順序控制。
3. 伺服驅動與回授系統：驅動進給軸，並以位置或速度回授修正實際運動。
4. 工具機本體與輔助裝置：包含床台、主軸、刀具交換器、冷卻系統及夾持裝置等。

解題方法：說明控制流程與加工特性

回答時可依「程式建立 → 控制器解讀 → 各軸運動 → 回授修正 → 完成加工」說明技術原理，再補充優缺點及應用。

1. 建立加工程式：依零件圖與製程規劃決定刀具路徑、切削速度、進給率、切深、刀具補正及工序順序。程式可由人工編寫，也可由 CAD/CAM 系統產生。
2. 輸入程式與設定參數：將程式載入 CNC 控制器，設定工件座標、刀具長度與半徑補正、主軸轉速及加工原點。
3. 控制器解讀程式：控制器逐區塊讀取 G 碼、M 碼及座標與切削資料，計算各軸應到達的位置與運動速度。
4. 插補與伺服控制：控制器依直線或圓弧等指令計算路徑上的中間點，經伺服驅動器帶動各軸移動；回授元件量測實際位置，控制器據此修正誤差。
5. 執行加工與輔助動作：工具機依程式執行切削，同時控制主軸啟停、刀具更換、冷卻液開關等動作。

CNC 的主要特性包括：加工精度與重複性高、適合複雜曲面及多工序加工、可縮短換線與設定時間、便於與 CAD/CAM 及自動化系統整合；但設備與程式建置成本較高，程式或座標設定錯誤也可能造成刀具碰撞或工件報廢。

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（二）五軸工具機 CNC 零件加工碼的基本指令內容

核心觀念

五軸工具機通常具有三個直線軸 $X、Y、Z$，以及兩個旋轉軸，例如 $A、B、C$ 中的兩軸。直線軸描述刀具或工件的位置，旋轉軸則描述其角度。五軸加工碼除了一般銑床的移動、轉速與輔助指令，也必須安排旋轉軸姿態、刀具方向、工件座標及刀長補正。

五軸工具機的軸配置與控制器功能因機型及品牌而異；相同字母或 G 碼在不同控制器上的意義可能不同。因此，實際程式須依該機控制器的程式手冊與軸配置確認。

解題方法：按程式區塊說明指令

一個常見程式區塊可寫成：

N10 G90 G54 G17 G21 G40 G49 G80

N20 T1 M6

N30 S6000 M3

N40 G0 X0 Y0 A0 C0

N50 G43 H1 Z50.0

N60 G1 X20.0 Y10.0 Z-2.0 A15.0 C30.0 F300

N70 M8

N80 G0 Z100.0

N90 M9 M5

N100 M30

上例只用來展示基本指令的類別與排列方式，不代表所有五軸控制器都能直接執行同一程式。

基本指令類別

1. 程式區塊與序號

• N：區塊序號，例如 N10，方便閱讀及定位程式內容。
• O：部分控制器用來表示程式編號。
• ; 或括號：部分控制器支援註解，格式依控制器規定。

（一）金屬開模鍛造之桶形現象

核心觀念

開模鍛造時，圓柱形工件受上下平砧壓縮，材料沿高度方向縮短，並向側面流動。若工件與砧面接觸的端面附近受摩擦阻礙，材料不易向外流動，工件中段便會比兩端向外鼓起，側面呈凸弧形，外觀如桶狀，稱為桶形現象（barreling）。

此現象常見於熱鍛，也可發生於冷鍛；其程度取決於接觸面摩擦、工件尺寸比例及溫度分布等因素。

解題方法

以圓柱坯料置於上下平砧間壓縮來說明材料流動：

1. 工件高度減少，體積大致不變，因此材料須向外側流動。
2. 端面與砧面接觸處受到摩擦，徑向流動受到抑制。
3. 工件中段距離接觸端面較遠，流動受阻較小，向外變形較多。
4. 因此中段直徑大於兩端附近，形成鼓起的桶狀外形。

解題技巧

作答時要交代「端面受阻、中段鼓起」這個形狀特徵，並以材料流動差異說明形成方式；只寫「鍛造後工件變成桶形」不足以完整描述現象。

（二）造成桶形現象之原因

核心觀念

桶形現象的直接機制，是工件不同高度位置的側向塑性流動量不相同。造成流動差異的主要因素如下：

1. 砧面與工件端面的摩擦

上、下端面受砧面約束，摩擦力阻礙材料沿砧面向外滑動。端面附近的材料側向流動較小；中段受端面摩擦影響較弱，側向流動較大，故中段鼓起。摩擦愈大，桶形通常愈明顯。

2. 工件內部的變形不均與剪切流動

端面附近材料流動受阻，而中段流動較自由，兩區變形不一致。為維持材料連續，工件內部會產生剪切變形，進一步形成中段外凸的輪廓。

3. 溫度分布不均

核心觀念

**澆不足（misrun）**是指熔融金屬尚未完全充滿鑄模型腔，就因流動停止或局部凝固而形成的不完整鑄件。鑄件會缺少局部形狀，缺口常出現在薄壁、細長或距離內澆口較遠的部位。

本題考查鑄件充填與凝固的關係：熔湯必須在型腔內失去流動性、凝固之前完成充填。金屬液的流動性愈差、充填時間愈長，或型腔散熱愈快，愈容易發生澆不足。澆不足也要與**冷隔（cold shut）**區分：澆不足是型腔未完全充滿；冷隔則是兩股金屬液相遇後未能熔合，留下接合線或縫隙。

解題方法

作答時可依「熔湯本身、澆注操作、澆道設計、鑄件形狀、型模熱條件」分項說明。每項都要交代原因如何使金屬液提早失去流動能力，並以具體情境舉例。以下列出五種常見原因：

1. 澆注溫度過低 金屬液的過熱度不足，進入型腔後溫度很快降至凝固範圍，尚未流到末端便停止流動。 例：薄壁鋁合金鑄件澆注溫度偏低，遠離內澆口的細長部位未能充滿。

2. 澆注速度過慢或中途停頓 熔湯在型腔內停留時間增加，持續向型砂或型模散熱；前段金屬液先降溫凝固，後續熔湯便無法填滿剩餘型腔。 例：人工澆注時流量忽大忽小，澆注過程又有停頓，鑄件末端形成缺料。

核心觀念

本題考材料單軸拉伸時，工程應力－應變曲線的特徵，以及工程量與真實量的定義差異。工程應力與工程應變以試片的原始尺寸計算；真實應力與真實應變則依拉伸過程中的瞬時尺寸計算。

• 工程應力：$\sigma_e = P/A_0$，其中 $P$ 為拉伸載荷，$A_0$ 為試片原始截面積。
• 工程應變：$e = (L-L_0)/L_0$，其中 $L_0$ 為原始標距長度，$L$ 為當下標距長度。
• $0.2\%$ 偏移降伏強度 $Y$：以應變 $e=0.002$ 為起點，畫一條與彈性直線段平行的直線；該直線與曲線的交點所對應的工程應力，即為 $Y$。
• 抗拉強度 $TS$：工程應力－應變曲線上的最大工程應力，$TS=P_{\max}/A_0$。

解題方法與曲線圖

先標出曲線的彈性區、降伏區、加工硬化區與頸縮後破斷點；再以最大工程應力標示 $TS$，並從 $e=0.002$ 處作彈性段的平行線，標出與曲線交點所對應的 $Y$。

工程應力 σe
 ↑
 │ ● TS
 │ ／ ＼
 │ ／ ＼
 │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ● ＼
 │ ╱ Y ／ × 破斷
 │ ╱ ／
 │ ╱ __／
 │ ╱ ___／
 │ ╱ ___／
 │ ╱ ___／
 │ ╱__／
 └─┬────────────────────────────────────→ 工程應變 e
 0 0.002
 ↑
 0.2% 偏移起點

圖中虛線斜線的斜率與初始彈性直線段相同，向右平移 $0.002$ 應變；它與拉伸曲線的交點標為 $Y$。曲線最高點標為 $TS$。試片超過最大載荷後開始頸縮，因頸縮造成的截面積快速減小，工程應力會下降，直到試片破斷。

真實應力－應變曲線與工程曲線比較

真實應力與真實應變定義為：

$$\sigma_t=\frac{P}{A},\qquad \varepsilon_t=\ln\left(\frac{L}{L_0}\right)$$