110 身心障礙特考四等 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查切削刀具材料的基本要求，以及高碳鋼與高速鋼的成分、性能差異和適用範圍。刀具必須能承受切削力、摩擦與高溫，並在加工中維持刃口形狀和尺寸精度。

切削刀具所需的機械特性及原因

• 高硬度與耐磨性：刀具硬度須高於工件材料，才能切入工件；良好的耐磨性可減緩前刀面與後刀面的磨耗，延長刀具壽命。
• 高紅硬性（熱硬性）：切削區溫度高，刀具在高溫下仍須保持硬度與切削能力，避免刃口軟化、磨損加速。
• 足夠的韌性與抗衝擊性：刀具須承受切削力的變動、振動與斷續切削衝擊，避免崩刃或折斷。
• 足夠的抗壓強度：切削時刀具承受高壓，尤其刃口附近應能抵抗壓潰與塑性變形。
• 良好的抗熱裂性與抗熱疲勞性：切削時反覆升溫、冷卻會造成熱應力；刀具須能抵抗裂紋形成與擴展。
• 良好的化學穩定性：高溫下應降低與工件材料的黏著、擴散或化學反應，以減少刀具磨耗。
• 良好的導熱性：能將切削熱迅速傳散，降低刃口局部溫升；但須兼顧高溫硬度與耐磨性。

刀具材料的特性通常須互相平衡。例如，硬度與耐磨性提高時，韌性可能降低；因此選材須配合工件、切削速度、切削方式及機床剛性。

高碳鋼與高速鋼比較

核心觀念

本題考查「製孔方法的分類」及「鑽孔、搪孔的加工原理與特性比較」。製孔可依工件材料去除方式，分為切削加工與非切削加工；切削加工中，鑽孔通常用鑽頭在實心材料上形成孔，搪孔則用單刃或多刃搪刀修整既有孔，使孔徑、圓度、直線度及表面粗糙度改善。

解題方法

先列出十種鑽孔與搪孔以外的製孔方法，再從加工對象、刀具形式、加工目的、尺寸精度與表面品質等面向比較鑽孔和搪孔。列舉時可兼顧切削與非切削方法，避免把鑽孔、搪孔的變形加工重複計入。

鑽孔與搪孔以外的十種製孔方法

1. 沖孔：以沖頭和模具剪切板材形成孔，適合大量生產薄板零件。
2. 雷射加工：以聚焦雷射熔融或氣化材料製孔，適合小孔、薄板及複雜孔形。
3. 電子束加工：以高能電子束熔融或氣化材料，適合微小孔及高深徑比孔。
4. 電火花加工（EDM）：利用放電侵蝕導電材料，適合硬質材料及複雜孔形。
5. 電解加工（ECM）：利用陽極溶解除去導電材料，適合硬質合金及難切削材料。
6. 超音波加工：藉磨粒在超音波振動下撞擊工件，適合玻璃、陶瓷等脆硬材料。
7. 水刀加工：以高壓水流或含磨料水流切穿材料，可加工多種材料。
8. 鉸孔：以鉸刀修整既有孔，改善孔徑精度與表面品質。
9. 鏜削以外的銑孔：以立銑刀作圓弧插補或螺旋進給形成孔，適合數控加工及多種孔徑。
10. 鑄孔：鑄造時以砂心或型心形成孔，適合形狀複雜或較大型的鑄件。

鑽孔與搪孔比較

核心觀念

模型（pattern）是用來形成鑄模型腔的仿形件。模型尺寸須依鑄件尺寸與製程需求調整，這些預留的尺寸或形狀修正稱為模型裕度（pattern allowances）。題目要求列出五種常見裕度，並說明各自的影響因素及原因。

五種模型裕度及影響因素

1. 收縮裕度（shrinkage allowance） 金屬由液態冷卻至室溫時會收縮，模型須依鑄造合金的收縮量適度放大，使鑄件冷卻後達到圖面尺寸。影響因素包括合金種類、鑄件尺寸與形狀、鑄造方式及冷卻條件；合金的凝固與固態收縮特性不同，鑄件各部位的冷卻速度也不同，因此收縮裕度不能一概而論。此裕度通常為正值。

2. 加工裕度（machining allowance） 鑄件需加工的表面，模型須預留額外金屬，以供後續切削並達到尺寸、形狀與表面品質要求。影響因素包括加工方法與加工量、鑄件尺寸、鑄造精度、鑄件材料及表面狀況。鑄造表面可能有氧化皮、砂黏附、尺寸偏差或表層缺陷；加工裕度不足會使加工後仍無法達到要求，過大則增加切削量、時間與材料耗損。

3. 拔模裕度（draft allowance） 模型自砂模中取出時，垂直於分模面的側壁容易刮傷或破壞型腔，因此模型側面須設置微小斜度。影響因素包括模型拔出方向、型腔深度、表面形狀、砂型強度、造模方法及模型材質。深而高的側壁較容易在拔模時損壞砂型，通常需要較大的拔模斜度；內壁因模型較難取出，所需斜度通常大於外壁。

核心觀念

塑性加工是利用外力使金屬產生永久變形，藉以改變形狀或尺寸。冷作與熱作的主要區別，在於加工溫度相對於材料的再結晶溫度：

• 冷作（cold working）：在再結晶溫度以下加工，通常於室溫進行。
• 熱作（hot working）：在再結晶溫度以上加工，使材料在變形過程中能發生再結晶。

再結晶溫度不是固定的絕對數值，會隨材料種類、純度、變形量及加熱時間而異。因此，冷作不一定等同室溫加工；若室溫已高於某材料的再結晶溫度，該加工仍可屬熱作。

解題方法

依序比較加工溫度對材料組織與加工過程的影響，即可整理出兩者的優缺點：

1. 看加工硬化：冷作時位錯累積，材料加工硬化；熱作時再結晶持續進行，可消除加工硬化。
2. 看變形阻力與加工量：冷作所需力量較大，單次可施加的變形量受限；熱作變形阻力較低，適合大變形加工。
3. 看尺寸與表面品質：冷作不需加熱，通常尺寸精度及表面品質較佳；熱作會有氧化、熱膨脹與冷卻收縮等影響。
4. 看材料性質：冷作可提高強度與硬度，但降低延性；熱作可改善塑性，並可藉再結晶細化或均勻化晶粒。

冷作與熱作比較

冷作的優點

核心觀念

本題考查塗料焊條（covered electrode）上焊劑塗層的作用，以及手工電弧銲（SMAW）操作時，電弧長度與移行速度如何影響電弧穩定、熔池保護、熔深、銲道形狀與銲接品質。

電弧長度是焊條端部與工件或熔池表面之間的距離；移行速度是電弧沿銲接接頭前進的速度。兩者都會影響熱量如何集中並作用於銲件：電弧過長或過短，會改變電弧穩定性與保護效果；移行過快或過慢，則會改變單位銲道長度所得到的熱量及填料金屬量。

解題方法

作答可分成兩部分：

1. 將焊劑塗層功能依「保護熔池、穩定電弧、冶金處理、改善操作」分類，再列出十項。
2. 說明電弧長度與移行速度的選用原則，並交代過長、過短或過快、過慢時的典型影響。

焊劑塗層的十項功能

1. 產生保護氣體：塗層受熱分解或燃燒後產生保護氣體，隔絕空氣中的氧、氮與水氣，減少熔融金屬氧化、氮化及氣孔。
2. 形成熔渣保護熔池：塗層熔化後形成熔渣，覆蓋熔池與凝固中的銲道，減少空氣污染並延緩冷卻。
3. 穩定電弧：塗層中的電離成分有助於維持電弧穩定、引弧容易，並改善電弧操作性。
4. 脫氧與去除雜質：塗層提供脫氧劑，降低熔池中的氧含量；部分成分也可與雜質反應，使其進入熔渣。
5. 加入合金元素：將合金元素送入銲金屬，調整其強度、韌性、耐磨性或耐蝕性等性能。
6. 控制銲金屬成分與冶金反應：藉由塗層成分調節熔融金屬的化學反應與凝固特性，使銲金屬符合所需品質。
7. 減少飛濺：適當的塗層配方可使熔滴過渡較穩定，降低金屬飛濺。
8. 控制熔渣性質與銲道形狀：使熔渣具適當流動性、凝固速度與剝離性，協助形成合宜的銲道輪廓，並使清渣容易。
9. 改善銲接位置與操作性：藉由熔渣支撐熔池，讓立銲、仰銲等位置較容易操作；某些塗層也可調整熔敷效率。
10. 降低冷卻速度與裂縫傾向：熔渣覆蓋可減緩銲道冷卻；特定低氫塗層則可降低銲金屬中的擴散氫，減少氫致裂縫風險。

電弧長度的選用因素及原因

電弧長度須依焊條種類與直徑、焊條塗層特性、銲接電流、銲接位置，以及銲件厚度與接頭狀況調整。實務上應配合焊條規格與操作條件，維持穩定、適當的短弧；不少焊條的操作經驗值是弧長約與焊芯直徑相當，但仍應以焊條使用條件為準。