113 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

本題考查砂模鑄造中冒口的型式、補縮功能與配置原則。鑄件凝固時，液態金屬冷卻收縮，凝固中的金屬也會產生體積收縮；若沒有足夠的液態金屬補入，鑄件容易形成縮孔或縮鬆。冒口是預留在鑄模中的金屬液儲存區，須能在鑄件凝固收縮時持續補充液態金屬。

冒口設計的重點是使鑄件朝冒口方向順序凝固，並使冒口本身比其所補縮的鑄件部位更晚凝固。凝固時間常以模數概念估算：

其中 $V$ 為金屬體積，$A$ 為散熱表面積。冒口的模數通常須大於欲補縮部位，才能維持較久的液態供料能力。

冒口型式

• 側冒口（side riser）：設於鑄件側面，經冒口頸與鑄件相連。側冒口可安置在需要補縮的熱節附近；若上端露出鑄模，便於觀察充填情形，也可作為開放式冒口。
• 盲冒口（blind riser）：完全位於砂模內，不直接通向大氣，外觀上被砂模包覆。由於與外界接觸的散熱較少，通常能較久保持液態；但不易直接觀察金屬液是否已充滿。

「側冒口」描述的是冒口相對於鑄件的位置；「盲冒口」描述的是冒口是否封閉在砂模內，兩者所依據的分類方式不同。

澆鑄過程中冒口的功能

1. 補充凝固收縮所需金屬：鑄件凝固時，冒口內的液態金屬流入鑄件，減少縮孔、縮鬆。
2. 維持補縮壓力與供料通道：冒口內金屬液的靜壓可協助金屬液流向正在凝固的部位；冒口頸則提供補縮通道。
3. 作為充填與凝固狀況的指示：開放式冒口可供觀察金屬液是否到達鑄件末端，並可觀察冒口內金屬液的凝固情形。

核心觀念

本題考查切削刀具與工件接觸區域內，造成刀具材料逐漸損耗的五種磨損機制。刀具磨損會改變刀具幾何形狀、增加切削力與切削溫度，並影響加工精度及表面品質。

解題方法

依磨損的物理作用機制逐項說明，並指出其主要發生條件或位置：

1. 磨粒磨損（abrasive wear） 工件材料中的硬質粒子、夾雜物，或加工中形成的硬質碎屑，刮擦刀具表面，使刀具材料被磨除。常見於工件含有硬質相，或刀具與工件硬度差異較大的情況。

2. 黏著磨損（adhesive wear） 刀具與工件在高壓接觸下，表面局部發生黏著；相對滑動時，黏著點被剪斷，刀具材料可能隨切屑或工件移除。積屑瘤的形成與脫落常會加劇此類磨損。

3. 擴散磨損（diffusion wear） 高切削溫度下，刀具與切屑接觸面之間的原子互相擴散，使刀具表層成分或強度改變，進而造成材料損失。

核心觀念

硬銲（brazing）與軟銲（soldering）都屬於熔填料金屬、母材不熔化的接合方法。熔融填料金屬潤濕母材表面，並藉由接頭間隙中的毛細作用流入接合處；冷卻凝固後形成接頭。

兩者主要依填料金屬的液相線溫度區分：

• **硬銲：**填料金屬液相線溫度高於 $450^\circ\mathrm{C}$。
• **軟銲：**填料金屬液相線溫度不高於 $450^\circ\mathrm{C}$。

這個溫度界線指的是填料金屬，不是母材的熔點。硬銲與軟銲均不以熔化母材來形成接頭。

解題方法

題目要求比較兩種接合法的特性、優缺點與操作程序，可依序掌握三個層次：

1. **先定義分類依據：**以填料金屬液相線溫度是否高於 $450^\circ\mathrm{C}$ 區分硬銲與軟銲。
2. **再說明共同原理：**母材不熔化，填料金屬熔化後潤濕並流入接合間隙。
3. **最後比較性能與程序：**硬銲通常接頭強度與耐熱性較高，但加熱溫度較高；軟銲操作溫度較低、較方便，接頭強度與耐熱性則較低。

硬銲的特性、優缺點與程序

**特性：**硬銲使用液相線溫度高於 $450^\circ\mathrm{C}$ 的填料金屬，常見材料包括銀銲料、銅基銲料與黃銅銲料。填料金屬熔化後，藉潤濕與毛細作用填滿接頭間隙。硬銲可接合不同金屬，也適合接合薄件或形狀複雜的零件；接頭強度通常高於軟銲。

優點：

• 母材不熔化，母材熔化造成的變形與組織改變較少。
• 可接合異種金屬，且能一次接合多個接合部位。
• 接合溫度低於母材熔點，適合薄件及複雜形狀工件。
• 接頭強度通常高於軟銲，適用於較高負荷與較高使用溫度的場合。

缺點：

• 加熱溫度高於軟銲，熱影響與氧化風險較大。
• 接頭強度通常仍低於母材熔融銲接所得接頭，且較受接合間隙與表面狀況影響。
• 部分銲料或助銲劑成本較高；銲後常須清除助銲劑殘留物。

操作程序：

1. **接頭設計與配合：**選擇適當接頭形式，控制接合間隙，使熔融銲料能靠毛細作用進入接合面。
2. **清潔母材：**去除油污、鏽蝕、氧化物與其他污染物，確保銲料能潤濕母材。
3. **塗佈助銲劑或採用保護氣氛：**抑制加熱時氧化，並協助銲料潤濕與流動。
4. **均勻加熱接頭：**以火焰、感應加熱或爐內加熱等方式，使接合區達到銲料熔化並能流動的溫度；以加熱母材來熔化銲料，避免只直接熔化銲料。

核心觀念

本題考查擠製產品的常見瑕疵及其形成原因。擠製是使坯料在高壓下通過模孔，形成所需截面形狀的塑性加工法。型材截面雖可設計成複雜形狀，但金屬流動、模具狀況及製程條件不當，都會造成產品缺陷。

解題方法

按瑕疵的外觀與形成機制分類，列出名稱並說明原因。常見項目包括表面裂紋、中心裂縫，以及擠製尾端的漏斗狀缺陷；作答時需把瑕疵特徵和造成金屬流動異常的原因連結起來。

常見擠製瑕疵與原因

1. 表面裂紋（surface cracking） 產品表面出現縱向或橫向裂紋。擠製速度過快、坯料或模具溫度過高，會使表層溫升過大並降低材料的熱塑性；模具出口處的剪切變形與摩擦也會使表層承受較大的拉應力，因而產生裂紋。材料本身塑性不足或含有缺陷，也會提高發生機率。