114 身心障礙特考四等 機械工程類科 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查車刀的壽命判定與磨耗型態，以及車削時可能形成的切屑型態。刀具壽命通常指刀具從開始切削，到磨耗達到預定失效標準或無法維持加工品質為止的有效切削時間。

解題方法

一、影響車刀壽命的重要參數

可列舉下列三項：

1. 切削速度 $V$：通常是影響刀具壽命最顯著的切削條件。切削速度提高，切削區溫度上升，刀具磨耗加快，壽命縮短。
2. 進給量 $f$：進給量提高會增加切屑厚度與切削負荷，使刀刃受力、發熱及磨耗增加。
3. 切削深度 $d$：切削深度提高會增加切削寬度與總切削力、發熱量，通常使刀具磨耗加劇。

在其他條件固定時，刀具壽命與切削速度常以 Taylor 刀具壽命公式表示：

其中 $T$ 為刀具壽命，$n$ 與 $C$ 為刀具及切削條件相關常數。此式說明切削速度提高時，刀具壽命通常會縮短。

二、達到更換標準的三種磨耗型態

以下以文字示意圖說明刀具的主要磨耗位置：

1. 後刀面磨耗（flank wear）：工件新加工表面與刀具後刀面摩擦，在後刀面形成磨耗帶。會使尺寸精度與表面品質下降，並增加切削力。

工件新表面 ─────────
 ／ 刀具後刀面
 ／← 磨耗帶

2. 月牙窪磨耗（crater wear）：切屑沿刀具前刀面流動，因高溫、壓力及黏著作用，在前刀面形成凹坑。磨耗過深會削弱刀刃，甚至造成崩刃。

核心觀念

精密鑄造又稱脫蠟鑄造，是以可熔失的蠟模製作陶瓷殼模，將蠟熔除後，再把熔融金屬澆入殼模，取得尺寸精確、表面品質佳且形狀複雜的鑄件。本題重點是依序說明製程、各步驟的控制要點，以及積層製造在傳統製程中的替代位置。

解題方法

作答時先以流程圖列出完整製程，再逐步說明每一站的目的與品質控制。流程主線為「製作蠟模與組樹 → 製作陶瓷殼模 → 脫蠟、燒成 → 澆注與後處理」。積層製造的替代對象，則由其能直接製作待鑄造的可消失模型或殼模來判斷。

精密鑄造程序與實施要點

模具設計與製作
 ↓
射蠟（製作蠟模）
 ↓
修蠟、檢查蠟模
 ↓
組樹（蠟模接到澆道系統）
 ↓
沾漿（塗佈耐火漿料）
 ↓
沾砂（撒附耐火砂）
 ↓
乾燥
 ↓
重複沾漿、沾砂與乾燥，形成足夠殼厚
 ↓
脫蠟（熔除蠟模）
 ↓
燒成殼模、預熱
 ↓
澆注
 ↓
冷卻、敲除殼模、切除澆道
 ↓
清理、檢查與必要的後處理

1. 射蠟：將蠟料注入金屬模具，製成與鑄件形狀相符的蠟模。須控制蠟料溫度、射蠟壓力、模具溫度及保壓時間，使蠟模充填完整、尺寸穩定，並避免氣泡、縮陷、翹曲或裂紋。

2. 修蠟與檢查蠟模：修除分模線、毛邊及局部缺陷，確認尺寸、表面與形狀符合要求。蠟模缺陷會轉印到鑄件，因此須在組樹前剔除不良品。

3. 組樹：將多個蠟模以蠟料焊接到中央主澆道及相關流道，組成蠟樹。須安排適當的鑄件間距與方向，確保漿料可覆蓋各處，並使金屬能順利充填、補縮及排氣。

4. 沾漿：將蠟樹浸入含耐火粉料的漿料，形成第一層陶瓷塗層。須控制漿料黏度、浸漬與提起速度、覆蓋均勻度及排液情形；首層直接影響鑄件表面品質。

5. 沾砂：在濕潤漿層上撒附適當粒度的耐火砂，增加殼模厚度及強度。沾砂須均勻，避免局部堆積、漏覆或形成薄弱區。

6. 乾燥及重複製殼：每次沾漿、沾砂後須充分乾燥，再重複製殼，直到殼模達到所需厚度與強度。乾燥不足會使殼層剝落、開裂或在後續受熱時失效。

核心觀念

本題考查依模具是否完全包覆工件、金屬流動是否受模穴限制，區分開模鍛造與閉模鍛造。開模鍛造使用簡單模面，工件未被模穴完全包住；閉模鍛造則以相對應的模穴限制金屬流動，使工件形成較複雜的形狀。

閉模鍛造常見有毛邊式與無毛邊式：毛邊式鍛造時，多餘金屬流到分模面間隙形成毛邊；無毛邊式則須精確控制胚料體積，使金屬留在模穴內。

解題方法與圖示

作答時先畫出模具與工件，再標示金屬流動方向及毛邊位置；最後比較模具形狀、工件形狀、適用產品及製程特性。

開模鍛造（Open-die forging）

 上模（平砧）
 ┌──────────┐
 ↓ 壓力
 ┌──────────┐
 工件
 └──────────┘
 下模（平砧）

兩模面沒有包覆出完整模穴，工件側面可自由展延。反覆壓下、轉動或移動工件，可逐步改變其截面或長度。常用於大型軸、棒材、環件或板坯，模具簡單、適合少量或大型鍛件；尺寸與形狀精度較低，較複雜的形狀通常需要多次操作及後續加工。

閉模鍛造（Closed-die forging）

 上模
 ┌─────╲ ╱─────┐
 │ ╲╱ │
 │ 工件 │──→ 毛邊
 │ ╱╲ │
 └─────╱ ╲─────┘
 下模

上下模具有相對應的模穴；模具閉合時，金屬依模穴形狀流動。圖中為毛邊式閉模鍛造，多餘金屬由分模面間隙擠出形成毛邊，鍛後須切除。此法可製作形狀較複雜、尺寸較一致的鍛件，適合較大量生產，但模具成本較高，且需控制胚料尺寸與體積。

兩類鍛造比較

核心觀念

本題考查異種金屬接合的限制，以及自衝鉚釘（Self-piercing rivet, SPR）的接合原理與製程。車體鋼板與鋁合金的密度不同，搭配使用可降低車身重量；但兩種材料的熔點、熱傳導率與電化學性質不同，接合時須考慮熱影響、脆性金屬間化合物及電偶腐蝕。

鋼板與鋁合金的接合方法

鋼與鋁可以接合，但通常不直接採用一般電弧熔焊。鋁的熔點遠低於鋼，且熱傳導率較高；焊接時，鋁可能已大量熔化或燒損，鋼仍未達適當熔融狀態。兩者直接熔接也容易形成脆性的鐵鋁金屬間化合物，降低接頭韌性與疲勞強度。再加上鋼、鋁的電化學性質差異，接頭若有水分或電解質，鋁可能發生電偶腐蝕。

因此，鋼板與鋁合金可採用下列方式接合：

• 機械接合：自衝鉚釘、抽芯鉚釘、螺栓或其他鉚接方式。
• 黏著接合：以結構膠接合，可分散負荷並隔離異種金屬。
• 混合接合：機械接合搭配黏著劑，提高接頭強度並降低縫隙腐蝕風險。
• 特殊接合製程：採用可控制界面反應的固相或專用異種材料接合技術。

所以，電弧焊並非所有情況下都絕對不能用，但一般直接電弧熔焊不適合作為鋼板與鋁合金的常規接合方法；須有專用製程與界面控制，才能避免上述缺陷。

自衝鉚釘接合步驟

自衝鉚釘接合以鉚釘自身穿透上層板材，並在下層板材中擴張成形；下層板材不被鉚釘完全穿透，因此接合後通常不會留下貫穿孔。典型接合由上而下為鉚釘、上板、下板與模具。