112 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

本題考查鑽石作為刀具材料時的材料特性、適用工件，以及切削條件的選擇原則。鑽石硬度極高，能提供良好的耐磨性與加工表面品質；但鑽石主要成分為碳，切削高溫下容易與鐵等元素發生化學作用，因此選用時不能只看工件硬度，還要考量工件材質、切削溫度、切削是否穩定，以及加工目的。

鑽石刀具常見形式包括：

• 單晶鑽石刀具：刃口可研磨得非常鋒利，適合超精密切削與光學表面加工。
• 聚晶鑽石刀具（PCD）：由鑽石微粒燒結而成，耐磨性佳，常用於大量加工及切削含磨耗性成分的材料。
• 鑽石塗層刀具：在刀具表面形成鑽石層，常用於非鐵金屬、石墨或複合材料加工。

鑽石刀具的主要特性

1. 硬度高、耐磨性佳 鑽石具有極高硬度，適合切削含矽鋁合金、石墨、纖維複合材料等容易磨耗刀具的材料，刀具壽命通常較長。

2. 刃口鋒利，可達高精度與高表面品質 單晶鑽石可形成極小刃口半徑，適合超精密車削；加工後可獲得低粗糙度表面，常用於光學元件、精密模具及非鐵金屬零件。

3. 熱傳導性佳、摩擦係數低 有助於切削區散熱及降低切削摩擦，適合高速度加工；但切削溫度仍須控制，避免造成鑽石與工件材料的化學反應或刀具劣化。

4. 脆性較高，耐衝擊能力有限 鑽石刀具不適合切削中有劇烈衝擊、振動、斷續切削或機台剛性不足的情況。PCD 刀具雖較適合一般生產加工，仍須避免過大的衝擊負荷。

5. 不適合一般鋼鐵材料切削 高溫下鑽石中的碳會與鐵、鈷、鎳等元素產生化學作用，造成擴散、石墨化等化學磨耗，使刀刃快速損耗。因此一般鋼、鑄鐵及其他鐵系合金通常不選用鑽石刀具，可改用立方氮化硼等適用刀具材料。

適用材料與切削應用

鑽石刀具主要用於非鐵金屬及非金屬材料，例如：

• 非鐵金屬：鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂合金、金、銀等。
• 高矽鋁合金：材料中的矽粒子磨耗性高，鑽石刀具可延長刀具壽命並改善加工表面。
• 非金屬及複合材料：石墨、碳纖維複合材料、玻璃纖維複合材料、部分塑膠及陶瓷材料。
• 精密與光學加工：光學反射鏡、透鏡模仁、精密鏡面零件及超精密車削表面。

典型應用包括鑽石車削、精密銑削、鑽孔及輪廓加工。若加工對象含鐵，或加工中容易產生高溫、衝擊與振動，應重新選擇刀具材料。

解題方法：依工件、加工目的與穩定性選條件

作答時可依序掌握三個判斷步驟：

1. 先判斷工件材料：非鐵金屬、石墨、複合材料等可優先考慮鑽石；一般鐵系材料不宜使用。
2. 再判斷加工目的：追求鏡面與超精密加工時，選用單晶鑽石及高剛性精密機台；大量加工耐磨性材料時，可考慮 PCD。

核心觀念

直方圖（histogram）是將一組連續量測資料依數值大小分成若干個區間（組距），統計各區間內的資料筆數，並以相鄰柱形圖表示的圖表。橫軸為量測值區間，縱軸為次數或相對次數；各柱通常相連，以呈現資料的分布情形。

直方圖可用來觀察產品品質特性（如尺寸、重量、硬度或加工時間）的集中位置、散布程度、分布形狀，以及是否有偏態、離群值或多峰現象。它反映一批資料的整體分布，但不保留每筆資料的先後順序。

解題方法

本題分成兩部分作答：先定義直方圖及其圖形構成，再說明它在生產品質管制中的使用流程與判讀方式。

1. 蒐集品質資料：選定重要品質特性，依一致的量測方法，在相同或可比較的生產條件下取得足夠數量的量測值。
2. 製作直方圖：依資料範圍與筆數設定組數和組距，統計每一組的次數，將區間標在橫軸、次數標在縱軸，繪製相鄰柱形。
3. 判讀分布：

• 分布中心可顯示製程平均位置是否接近規格中心。
• 分布寬度可顯示產品變異大小。
• 偏態、雙峰或多峰等形狀，可能反映刀具磨耗、機台差異、原料批次、操作條件或混入不同製程資料等問題。
• 若分布有離群值，應追查量測、設備或製程上的特殊原因。

核心觀念

電熔渣鑄造法（electro-slag casting, ESC）是利用熔渣通電後產生的電阻熱熔化金屬，再將熔融金屬在水冷鑄模中凝固成形的鑄造方法。題目主要考查熔渣的作用、金屬熔滴的形成與凝固流程，以及此法相較一般熔融鑄造的品質與設備特性。

ESC 與電渣重熔（electro-slag remelting, ESR）使用相近的電渣加熱原理。作答時要說明電熔渣鑄造的成形目的：藉由鑄模製成所需鑄件；不可只寫成改善鋼錠品質的重熔程序。

製程方法

1. 準備鑄模與電極 將水冷鑄模、起熔材料及可消耗金屬電極裝妥。鑄模的型腔形狀依鑄件外形設計；金屬電極則提供鑄件所需的熔融金屬。

2. 形成熔渣池 在鑄模內加入適當的熔渣，並以電弧或其他起熔方式使熔渣熔化。常用熔渣須能導電、在製程溫度下保持穩定，並能隔離熔融金屬與空氣。

3. 通電加熱並熔化電極 使電極下端浸入熔渣池，通入電流。熔渣具有電阻，電流通過時產生焦耳熱，熱量再熔化電極末端。概念上可用焦耳熱表示為 $Q=I^2Rt$，其中 $I$ 為電流、$R$ 為熔渣電阻、$t$ 為通電時間。

4. 熔滴穿過熔渣並匯集 電極熔化後形成金屬熔滴，熔滴穿過熔渣層，落入下方金屬熔池。熔渣層可使金屬熔滴與空氣隔離，並有助於浮除部分非金屬夾雜物。

5. 在鑄模中凝固成形 熔融金屬在水冷鑄模中逐步凝固，形成符合型腔外形的鑄件。製程中須配合控制電流、電極進給速度、熔渣狀態與冷卻條件，使金屬熔化、補充及凝固保持穩定。

特性

優點

• 熔化與凝固過程穩定：熱源集中於熔渣池，易於控制金屬熔化及熔池狀態。
• 鑄件潔淨度較佳：金屬熔滴穿過熔渣，熔渣具有保護與吸收部分夾雜物的作用，有助於降低非金屬夾雜。

核心觀念

本題考查依能量來源分類焊接法，並要求各舉一例說明其原理與應用。

• 應用機械能的焊接法：以機械力使接合面緊密接觸，並藉由摩擦或撞擊等作用產生熱，或使材料產生塑性變形，達成接合。
• 應用化學反應能的焊接法：利用化學反應放出的熱量，使母材或填料熔化，再形成接合。

解題方法

依「能量從何而來」分類，再各選一種代表性方法，說明其能量來源、接合過程與適用情形。機械能可用摩擦銲說明；化學反應能可用氧乙炔氣銲說明。

應用機械能：摩擦銲

摩擦銲是固態銲接法，典型作法是讓一工件旋轉，另一工件固定並沿軸向加壓，使兩接合面互相摩擦。摩擦產生的熱使接合面附近升溫並軟化，同時軸向鍛壓使材料產生塑性流動、排出表面氧化物，最後停止旋轉並持續施壓，完成接合。