114 身心障礙特考三等 機械工程類科 機械製造學 考古題詳解

核心觀念

本題考查材料的機械特性如何配合工程使用與製造需求，並說明滲碳如何讓低碳鋼製品兼具「表面硬、耐磨」與「心部韌、能承受衝擊」的性質。滲碳是將碳擴散進入鋼件表層的表面硬化熱處理，通常須再淬火與低溫回火，才能形成硬化表層。

工程構件的材料特性需求，主要可分為：

• 使用需求：依受力與環境條件，需要適當的強度、硬度、韌性、延性、耐磨性、疲勞強度及耐蝕性。例如齒輪、凸輪與軸承接觸面，需耐磨且能承受接觸應力；構件心部則常需韌性，以避免脆裂。
• 製造需求：材料還須適合預定製程，例如具備足夠的切削性、成形性、焊接性與熱處理性。製造時若材料過硬，切削加工困難、刀具磨耗增加；若延性不足，塑性成形時容易破裂。
• 表面與心部的不同需求：許多零件並不需要全截面都很硬。表面需要高硬度以抵抗磨耗與接觸疲勞，心部則宜保有較低硬度與較高韌性，以承受彎曲、衝擊及負荷變化。

解題方法

依「零件需求 → 材料選擇與製造順序 → 滲碳及後續熱處理 → 最終性能」說明，即可完整回答題目。滲碳的關鍵在於只改變鋼件表面的碳含量，再藉淬火使富碳表層硬化；心部因碳含量較低，仍保有相對良好的韌性。

滲碳原理

滲碳適用於低碳或低碳合金鋼。鋼件在高於相變溫度的奧氏體區加熱，並置於富碳環境中，碳原子由表面向內擴散，使表面層的碳含量提高。其後淬火時，高碳表層形成高硬度麻田散鐵；低碳心部則形成硬度較低、韌性較佳的組織。再以低溫回火降低淬火殘留應力並改善韌性。

因此，滲碳後的性能組合是：

• 表層：高硬度、耐磨、抗接觸疲勞。
• 心部：維持較高韌性與承載能力，降低整件脆裂的風險。

滲碳深度是碳擴散形成的硬化層深度，會受溫度、時間、鋼材成分及淬火條件影響；一般而言，溫度越高或保溫時間越長，碳擴散越深。

核心觀念

樹脂轉注成型（resin transfer molding, RTM）是以乾燥纖維預成形體作為補強材，置入封閉模具後，再將液態樹脂注入並使其浸潤纖維，待樹脂固化後脫模的高分子複合材料製程。題目重點是掌握樹脂與纖維的進模順序、成型原理，以及 RTM 的優缺點與適用情形。

製程原理與方法

RTM 的成型流程如下：

1. 製作纖維預成形體：依零件形狀排列乾燥的纖維、織物或纖維預製件，必要時先固定成形。
2. 置入模具：將預成形體放入模具，合模並夾緊，使模穴形成封閉空間。
3. 注入樹脂：將低黏度液態熱固性樹脂由注入口注入，樹脂在壓力作用下流經模穴並浸潤纖維；空氣由排氣口排出，避免形成孔隙。
4. 固化與脫模：樹脂浸潤完成後，在模內固化；必要時加熱以加速固化，最後開模取出成品。

因此，RTM 的關鍵是：纖維先置入模具，樹脂後注入；模具封閉，樹脂在模內浸潤並固化。

製程特性

優點：

核心觀念

成形極限圖（forming limit diagram, FLD）是用來評估金屬板材在沖壓成形時，局部變形是否接近破裂的圖表。橫軸為板材平面內一個方向的主應變，通常稱為次要應變 $\varepsilon_2$；縱軸為與其垂直方向的主應變，稱為主要應變 $\varepsilon_1$，且通常令 $\varepsilon_1 \geq \varepsilon_2$。圖中分隔安全成形區與破裂危險區的曲線稱為成形極限曲線（forming limit curve, FLC）。

板材在面內變形時，主應變組合會隨位置與製程階段而變化。當局部應變落在 FLC 下方，代表仍有成形裕度；接近或超過 FLC，則表示該處有局部頸縮或破裂的風險。實際判定時，應變須以與 FLC 建立時相同的量測方式與應變定義比較。

解題方法

本題重點是說明 FLD 如何把沖壓過程中的變形狀態，轉換成可比較、可定位的破裂風險資訊，再據此調整模具與製程參數。

1. 取得材料的成形極限曲線 以代表性的板材試片進行成形極限試驗，量測發生局部頸縮前的主要、次要應變，建立材料的 FLC。不同材料、板厚、軋延方向及潤滑條件會影響成形極限，因此應採用與實際材料及製程相符的資料。

2. 量測或預測沖壓零件的應變 在板材表面製作圓形網格，沖壓後量測網格變形，求出各位置的面內主應變；也可用有限元素分析（FEA）預測應變分布。將各位置的 $(\varepsilon_2,\varepsilon_1)$ 標示在 FLD 上，可找出最接近或超過 FLC 的高風險區域。

3. 依風險位置調整製程 根據應變點的位置及分布，針對材料流入、局部拉伸與摩擦條件改善製程，例如調整壓料力、拉延筋、潤滑、模具圓角、沖壓行程或板料尺寸。改善後重新量測或分析，確認應變點往安全區移動，並保有適當的成形裕度。

應用原理與改善方向

FLD 的用途不只是判斷「會不會破」，也可協助找出破裂原因及調整方向：

核心觀念

切削加工中的振動，可依振動能量來源分為自由振動、強制振動及自激振動。判斷重點是：振動能量來自加工前已有的初始擾動、外部週期性作用，還是切削過程本身形成的回授。

解題方法

依振動能量來源說明三種振動的成因，再列出自激振動對加工品質、刀具、機床及生產效率的影響。切削系統可視為由刀具、工件與機床組成的彈性—阻尼系統；外力或切削力使系統偏離平衡位置後，便可能產生振動。

三種振動的成因

一、自由振動（free vibration）

系統受到一次性的初始擾動後，在沒有持續外力作用下，依其自身的質量、剛性與阻尼特性振動。常見擾動包括刀具或工件受到碰撞、夾持時的衝擊，以及切削開始或中斷時的瞬間載荷變化。

自由振動的頻率主要由系統的固有頻率決定；若系統具有阻尼，振幅會隨時間逐漸衰減。

二、強制振動（forced vibration）

系統受到外界持續、週期性或反覆作用的激振力而振動。切削加工中的來源包括：

• 機床馬達、齒輪、軸承或傳動機構的振動。
• 主軸或工件偏心、旋轉不平衡所產生的週期性力。
• 齒輪嚙合、刀齒間歇切削所造成的週期性切削力。
• 鄰近設備運轉傳入機床的振動。

強制振動的頻率通常與激振源頻率相同或相關。當激振頻率接近系統固有頻率時，振幅可能因共振而顯著增大。

三、自激振動（self-excited vibration）

振動由切削過程本身與結構動態互相作用而產生；即使沒有外界週期性激振力，切削系統仍會從切削過程取得能量，使振動持續或逐漸增大。典型現象為切削顫振（chatter）。