113 原住民特考四等 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查傳統一般車床的結構、車削運動原理，以及車床可完成的加工種類。車削時，工件由主軸帶動旋轉，刀具相對工件作進給運動，藉由刀具切刃切除材料，形成所需形狀與尺寸。

（一）傳統一般典型車床的組件單元

1. 床台（床身）：車床的基座與主要支撐結構，承受加工負荷；床面導軌供床鞍、尾座等沿軸向移動，並維持其相對位置精度。
2. 主軸箱：內含主軸、軸承及變速機構，提供工件旋轉動力。主軸前端可裝三爪或四爪夾頭、面板或頂心等夾持裝置。
3. 進給箱：將主軸動力經齒輪組傳至進給機構，調整縱向或橫向進給量，也可設定螺紋車削所需的導程。
4. 變速齒輪箱（交換齒輪組）：依加工需求改變主軸與進給機構之間的傳動比，常用於設定螺紋導程或特殊進給比；部分車床將其功能整合於進給箱。
5. 床鞍與溜板箱：床鞍沿床面導軌作縱向移動；溜板箱位於床鞍前方，內含進給、離合及自動進給控制機構。
6. 橫滑板：裝在床鞍上，承載複式刀座並帶動刀具作垂直於工件軸線的橫向進給，常用於車端面、切槽及控制切削深度。
7. 複式刀座（複式滑板）：可相對橫滑板轉動角度，並手動作短行程進給，適合車削短錐面、倒角及精密手動進刀。
8. 刀架：固定車刀，調整刀具位置與高度；常見型式包括四方刀架。
9. 尾座：沿床面導軌移動並可鎖緊，用以支承長工件自由端；尾座套筒可裝頂心、鑽頭、鉸刀或絲攻，進行支承或孔加工。
10. 絲桿與光桿：絲桿配合半螺帽機構，在螺紋車削時帶動刀具，確保刀具與工件旋轉保持正確導程關係；光桿則通常傳遞動力以進行一般自動進給。

（二）車削作業的加工程序與原理

加工程序

1. 裝夾工件：依工件形狀、長度與精度要求，選用三爪自定心夾頭、四爪獨立夾頭、面板或頂心裝夾。細長工件須使用尾座頂心，必要時使用中心架或跟刀架支承。
2. 裝刀與設定：將車刀固定於刀架，調整刀尖至工件中心高度，選定刀具伸出量、主軸轉速、進給量及切削深度。
3. 試切與校正：低速試車並確認工件裝夾牢固、旋轉無干涉；先輕切，再量測尺寸與表面狀況，修正刀具位置或切削參數。
4. 粗車與精車：粗車快速去除較多材料，保留精加工餘量；精車以較小切削深度與適當進給完成尺寸及表面要求。
5. 檢驗與收尾：停機後量測工件尺寸、形狀及表面，去除毛邊並清理切屑。

加工原理與運動

核心觀念

砂模鑄造是將熔融金屬澆入砂模，待其凝固後取得鑄件的製程。本題分別考查砂模鑄造中三種重要工具的功能：模型用來形成鑄模型腔，砂心用來形成鑄件內部或側向的空腔，冒口則在凝固過程中補充液態金屬，減少縮孔、縮鬆。

（一）模型（pattern）的功能、用途及種類

**功能與用途：**模型是製作鑄模的樣板，通常依鑄件形狀與尺寸製作。將模型壓入造模砂後取出，即形成與鑄件外形相應的型腔，供熔融金屬澆注。模型也可設計出分模面、砂心頭等構造，以利造模及砂心定位。

模型尺寸通常須考慮金屬凝固與冷卻時的收縮，因此會預留收縮裕度；若鑄件後續需要切削，也會預留加工裕度。模型本身不是鑄件，兩者尺寸不必完全相同。

常見種類：

1. 單件模型：形狀簡單、數量少的鑄件使用，模型為單一整體。
2. 分割模型：沿分模面分為兩部分，分別製作上、下模，適用於不易直接取出的形狀。
3. 鬆動部分模型：模型有局部凸出或倒扣時，先取出主體，再拆除鬆動部分，避免破壞砂模。
4. 集合模型：將同一鑄件的多個模型連接或排列於一板，適合較大量生產。
5. 匹配板模型：模型的上、下半部固定在同一底板兩側，便於機械造模與大量生產。
6. 掃描模型：以刮板沿旋轉軸或導軌掃過造出型腔，適用於大型、回轉對稱或形狀規則的鑄件。

（二）砂心（core）的功能及用途

核心觀念

本題考查鍛造的基本定義，以及開模、閉模鍛造在模具形式、金屬流動、產品精度與生產成本上的差異。作答時先說明鍛造如何使金屬產生塑性變形，再依模具是否限制工件側向流動，比較兩種製程及其優缺點。

（一）何謂鍛造？

鍛造是利用鍛鎚、壓床等設備施加壓縮力，使金屬胚料產生塑性變形，進而獲得所需形狀、尺寸及機械性質的金屬成形加工方法。鍛造通常在熱態進行，也可依材料與製品需求採溫鍛或冷鍛。

鍛造時，金屬在模具或工具作用下流動並填充所需形狀。相較於鑄造，鍛造不需將金屬完全熔化；適當的鍛造變形可使材料組織緻密，並使纖維流線沿製品形狀分布，因此常用於要求強度、韌性及可靠度較高的零件，例如軸、齒輪、連桿及航空零件。

（二）開模鍛造與閉模鍛造

開模鍛造（open die forging）

開模鍛造是將胚料置於形狀簡單、彼此不完全包圍工件的模具或平砧之間施加壓力，使金屬在受壓方向變形，並能向側面自由流動。工件形狀主要由模具形狀、施力位置及加工次序控制，常見操作包括墩粗、延伸、沖孔及彎曲。

優點：

• 模具簡單，製作成本低，換製品或修改製程較容易。
• 適合大型、重型工件及少量、多樣生產。
• 可藉由多次施壓與移動工件，鍛製不同形狀及尺寸的零件。
• 製品通常可獲得良好的鍛造組織與機械性質。

缺點：

• 工件尺寸與形狀主要靠操作控制，尺寸精度及表面品質較差。
• 加工依賴熟練操作，生產速度較慢，批量生產效率較低。
• 複雜形狀不易一次成形，通常需要多道工序及後續加工。
• 金屬側向流動較自由，材料利用率與製品一致性較難控制。

核心觀念

擴散接合（diffusion welding, DFW）是固態接合：將清潔、平整的接合面在真空或保護氣氛中緊密貼合，施以適當溫度與壓力並維持一段時間，使接合界面原子互相擴散，形成冶金結合。接合時母材不熔化，通常也不需要填料金屬。

接合品質的關鍵，在於讓兩個表面充分貼合，並使界面原子有足夠的移動能力與時間跨越接合面。過程中表面凸峰會先局部接觸並逐漸變形，微小孔隙隨之縮小；原子擴散則使界面逐步消失，形成連續接合。

解題方法

本題分別從「接合機制」、「適用工件與用途」及「接合強度的控制因素」作答。應清楚區分擴散接合是固態接合，並指出強度受到表面狀態、接合參數及材料特性共同影響。

(一) 擴散接合的工作原理（10 分）

1. **接合面準備：**將待接合面加工、清潔，使表面平整，去除油污、氧化物及其他污染物，避免界面阻礙原子接觸與擴散。
2. **貼合與加壓：**使接合面緊密接觸，施加適當壓力，使表面凸峰產生塑性變形、接觸面積增加，並使界面微孔隙縮小。
3. **加熱與保溫：**將工件加熱至適當的高溫，通常低於母材熔點，並保溫一段時間。加熱提高原子擴散能力，壓力則維持接合面貼合。
4. **界面原子擴散：**接合面兩側原子在濃度梯度及熱活化作用下互相擴散；原有界面逐漸消失，微孔隙縮小或閉合，最後形成連續的冶金結合。
5. **冷卻：**保溫完成後，在壓力維持或適當控制下冷卻，以避免接頭鬆脫或產生過大變形。

製程通常在真空或惰性保護氣氛中進行，以減少氧化及污染。由於母材不熔化，接合區的熱影響與變形通常較小，但仍須妥善控制溫度、壓力及保溫時間。

(二) 擴散接合的應用範圍（5 分）

擴散接合適用於要求接頭品質高、變形小，或工件形狀不適合傳統熔接的場合，常見應用包括：

• **航空與航太零件：**製作鈦合金、鎳基合金等高性能材料零件，以及蜂巢結構、薄板組件。
• **核能與化學設備：**接合耐高溫、耐腐蝕或對接頭完整性要求嚴格的零件。
• **精密及電子零件：**接合薄板、微小零件與需避免熔化或大幅變形的構件。