107 地方特考三等 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查機械製造領域中「熔接加工（Welding Processes）」之基礎核心技術——遮蔽金屬電弧焊接法（Shielded Metal Arc Welding, SMAW，俗稱被覆金屬電弧焊或手工電弧焊）。評分核心包含兩大部分：

1. SMAW 的工作原理與遮蔽防護機制：利用電弧產生的高溫熔化母材與電極，並藉由焊條外層藥皮（Flux coating）熱分解所形成的「保護氣體」與「熔渣（Slag）」達到隔絕大氣（防氧化、防氮化）之遮蔽效果。
2. 電極（Electrode）分類系統：包含電弧焊中「耗損性 vs. 非耗損性」的基礎分類，以及 SMAW 專用焊條依「藥皮化學性質（酸/鹼/纖維素）」、「母材合金種類」與「AWS（美國焊接協會）編號規範」的多維度分類方法。

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解題方法

本科為高考三等與地方特考三等之申論題型，答題切入點應兼顧「圖文並茂」與「架構層次化」：

1. 原理與簡圖部分：先繪出標準橫剖面電弧推進圖，圖中必須完整標註：母材、焊條芯線、被覆藥皮、電弧、電弧保護氣體、熔池、凝固焊道、熔渣。隨後以條列式說明熱源產生方式及藥皮在焊接冶金中的五大功能（氣體遮蔽、造渣保護、脫氧去雜質、添加合金元素、穩定電弧）。
2. 電極分類部分：採「由廣入深」之策略。先界定 SMAW 所用電極在本質上屬於「耗損性電極（Consumable Electrode）」，接著針對被覆焊條展開三大實務分類標準：

• 依藥皮化學特性與熔渣性質分類（冶金性能觀點）。
• 依母材金屬材質分類（工程應用觀點）。
• 依AWS 代碼分類法剖析其命名規則（標準規範觀點，展現專業深度）。

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選項分析

本題為國家考試三等申論題，非選擇題，無選項分析。閱卷評分重點如下：

• 簡圖繪製佔分比約 $40\%$：若缺少保護氣體分佈、熔渣覆蓋層或熔池標註，將直接扣除該項分數。
• 文字論述與分類深度佔分比約 $60\%$：若僅回答「分為耗損與非耗損」，分數僅能拿基礎門檻；必須進一步列出低氫型、高金紅石型、纖維素型或 AWS 編號法則，方能取得高分組級距。

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解題技巧

1. 考場簡圖繪製訣竅：

• 以單一移動方向（例如：向左推焊或向右拖焊）為基準繪製剖面。
• 焊條與工件夾角維持約 $70^\circ \sim 80^\circ$ 之傾斜角，表現出實際施焊姿態。
• 務必畫出「浮在凝固金屬表面」的熔渣層，這正是 SMAW 區別於 GMAW（MIG/MAG）或 GTAW（TIG）的最顯著圖形特徵。

2. 記憶陷阱防範：

• 勿將「電極分類」窄化為只有 AWS 編號，應先說明電極耗損屬性，再細分藥皮組成特性。
• AWS 編號公式以 $E\,XX\,Y\,Z$ 表示時，切記 $XX$ 為最小抗拉強度（單位：$\text{ksi}$，千磅/平方英寸），並非 $\text{MPa}$ 或 $\text{kgf/mm}^2$。

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【答案】

一、遮蔽金屬電弧焊接法（SMAW）之原理與簡圖

1. 原理定義： 遮蔽金屬電弧焊接法（Shielded Metal Arc Welding, SMAW），俗稱手工電弧焊（Stick Welding）或被覆金屬電弧焊。其原理為利用外覆助熔劑（藥皮）的耗損性金屬焊條與工件（母材）接觸後引燃電弧，利用電弧放電所產生之高溫（約 $3000^\circ\text{C} \sim 6000^\circ\text{C}$）熔化母材與焊條芯線形成熔池。高溫下，焊條藥皮受熱分解產生保護氣體覆蓋電弧周圍，同時熔化形成低密度的熔渣浮於熔池表面，共同隔絕大氣中的氧、氮入侵，防止焊道氧化與脆化；熔池冷卻凝固後即形成堅固之焊接接頭。

2. 原理簡圖：

核心觀念

本題評量考生對傳統「切削加工」、「磨粒加工」與「板金塑性成形」之基礎加工原理、製程特徵及工業應用時機的掌握程度：

1. 切削加工（Removal Processes）：

• 拉削（Broaching）：屬於單一行程多刃連續切削，藉由刀齒漸擴的「齒升量（Rise per tooth）」完成粗切至精切。
• 鉸孔（Reaming）：屬於孔加工之後續精整微量切削，用於提升尺寸精度與幾何精度，但無法修正孔位中心偏差。

2. 磨粒微量加工（Abrasive Finishing Processes）：

• 研磨（Lapping，亦稱研光或游離磨粒研磨）：利用懸浮於載液中的游離磨粒，在工件與研磨盤的相對複雜運動下進行超微量材料去除，達成極高平坦度與超光度。

3. 塑性成形加工（Forming Processes）：

• 旋壓（Spinning）：利用局部成形滾輪迫使旋轉薄板貼覆於芯模表面，製造軸對稱空心薄壁構件。
• 壓印（Embossing）：薄板金局部沖壓彎曲成形，藉由公母對應模具壓製出凹凸浮雕紋路，材料斷面厚度基本維持不變。

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解題方法

國考申論題型中，針對「名詞解釋＋使用時機」且配分明確（每小題 5 分，共 25 分）之題目，最佳作答架構應採​「雙核心結構」：

1. 加工原理與特點：精確定義該加工法的運動機制、刀具／模具特徵、材料變形或去除方式。
2. 使用時機與代表工件：具體列出適用材料形貌、幾何特徵、精度要求、生產批量（量產／小量）及業界代表性產品零組件。

此結構能確保閱卷委員在評閱時迅速核對「定義精準度」與「工程應用認知」兩大評分點，避免落入空泛描述。

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關鍵考點與觀念比較

為求全面理解並避免觀念混淆，各題之關鍵技術辨析如下：

加工方法	作用機制	關鍵工具／設備	核心工程辨析
(一) 拉削	線性單行程切削	多齒漸擴拉刀（Broach）	粗、半精、精加工在單一拉行程中連續完成，生產效率極高，但拉刀造價昂貴。
(二) 旋壓	局部漸進塑性變形	芯模（Mandrel）、成形滾輪	專門加工軸對稱空心件，模具成本低，適合大型件或小批量，可取代深抽引（Deep drawing）。
(三) 鉸孔	多刃迴轉微量切削	鉸刀（Reamer）	專用於改善已鑽孔之直徑精度與圓度；無法校正預留孔的軸心偏斜與定位誤差。
(四) 研磨（Lapping）	游離磨粒研刮滾動	軟質研磨盤（Lap）、研磨懸浮液	英文標明 Lapping（研光），切勿答成固定砂輪研磨（Grinding）；追求光學級平坦度。
(五) 壓印（Embossing）	薄板局部彎曲伸長	凸凹輪廓相符之公母模	斷面厚度基本不變；切勿混淆為會產生厚度巨變與高壓縮應力的壓印硬幣／壓幣（Coining）。

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解題技巧

1. 英文術語辨析：題目特別標註英文名詞，是防範中文譯名混淆的重要依據：

• 看到 Lapping 必須定位在「游離磨粒、研磨盤、高精度平面／圓柱面研光」，而非一般的「Grinding（砂輪磨削）」。
• 看到 Embossing 必須定位在「板金浮雕成形、板厚不變」，而非「Coining（硬幣壓印、體積成形）」。

2. 答題關鍵字掌握：

• 拉削必提：「齒升量（Rise per tooth）」、「單一行程完成」、「內鍵槽／栓槽」、「大量生產分攤刀具成本」。
• 旋壓必提：「軸對稱旋轉體」、「芯模」、「小批量或超大型薄壁件」。
• 鉸孔必提：「鑽孔後之精整」、「改善圓度與表面粗糙度」、「不能修正中心位置偏差」。
• 研磨（Lapping）必提：「游離磨粒」、「低速低壓」、「塊規／機械軸封」、「消除表面刀痕與極高平坦度」。
• 壓印（Embossing）必提：「公母模對應」、「厚度不變」、「增強薄板剛性（加強肋）／號牌字樣」。

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【答案】

(一) 拉削（Broaching）

1. 加工方法與原理：

• 拉削是利用具有多個連續切削刃的專用刀具（拉刀，Broach），在拉力或推力作用下，沿工件表面作直線（或螺旋）單一行程運動的切削加工法。
• 拉刀上相鄰兩齒之間的高度差稱為「齒升量（Rise per tooth）」，由前至後依序為粗切齒、半精切齒與精切齒，工件僅需單一工作行程即可依序完成粗加工至精加工。

2. 使用時機：

核心觀念

本題評量機械製造與精密量測（Metrology）的核心知識，主要涵蓋以下範疇：

1. 長度與位移量測標準及追溯體系：國際單位制長度標準（真空中光速與光波波長）如何透過光波干涉、實體標準端度量具（塊規）傳遞至工業現場。
2. 阿貝原理（Abbe's Principle）與螺旋傳動放大：測量軸線與基準軸線共線原理（分厘卡符合，游標卡尺不符合），以及利用精密螺距將角位移轉換為微量線性位移。
3. 三角幾何間接角度量測：利用精準長度比例轉換為角度的正弦定理（Sine Principle）。
4. 多軸幾何座標擷取與空間公差分析：利用三維正交座標系（Cartesian Coordinate System）配合數學擬合演算法，進行幾何尺寸與公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing, GD&T）的檢驗。

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解題方法

本題為標準的公職考試專業科目問答題，每小題配分 4 分（共 20 分）。針對此類題型，最佳得分切入點為每小題皆以兩段式骨架作答：

1. 機具簡介與量測原理（約佔 2 分）：精準點出物理/幾何原理、關鍵結構組件與量測精度等級。
2. 使用時機與典型應用（約佔 2 分）：列舉 2 至 3 個工業界最具代表性的應用情境（如設備校正、現場檢驗、基準傳遞、幾何特徵量測）。

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各題詳細解析

(一) 雷射干涉儀（Laser Interferometry）

1. 機具簡述與量測原理

• 原理：利用氦氖（He-Ne）或穩頻二極體雷射作為高同調性（Coherence）、單一波長的單色光源。光束經分光鏡（Beam Splitter）拆分為參考光束與量測光束，分別經參考反射鏡與目標反射鏡反射後重新疊合。
• 量測機制：當目標移動時，兩束光因光程差（Optical Path Difference）產生相位差，進而在感測器上形成明暗交替的干涉條紋（Interference Fringes）。位移量與光波波長關係為： $\Delta L = N \cdot \frac{\lambda}{2}$ 其中 $N$ 為條紋變化次數，$\lambda$ 為雷射在介質中之有效波長。其解析度可達奈米（$\text{nm}$）等級，精度受環境溫濕度與氣壓影響，常配備環境補償單元（Edlén 公式修正）。

2. 使用時機

• 工具機與精密機台精度校正：量測 CNC 工具機、半導體晶圓曝光載台、三次元量床之導軌真直度、角擺動（Pitch, Yaw, Roll）、反向間隙（Backlash）與線性定位精度補償。
• 原級標準校正與長度追溯：國家計量實驗室或校正實驗室用以校正長塊規、精密光學尺及精密編碼器。

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(二) 塊規（Gage Block / Johansson Blocks）

1. 機具簡述與量測原理

• 結構：由耐磨合金鋼、碳化鎢（Tungsten Carbide）或二氧化鋯陶瓷製成的長方體端度標準量具。
• 原理與特性：其相對兩量測端面經超精密研磨與研光（Lapping），具備極高之尺寸精度、平面度與平行度。兩塊規工作面清潔後互相滑動推壓，可利用表面分子凡得瓦力與極薄液膜張力緊密黏合，此現象稱為研合（Wringing），藉此可組合出各種精確長度。

2. 使用時機

• 量具之校正與比對：作為廠內長度標準的傳遞媒介，用於校正分厘卡、游標卡尺、高度規及電子測微計。
• 搭配正弦規量測角度：墊放於正弦規特定一端滾子下方，作為精密角度設定與量測的高度基準。
• 精密加工與劃線定位：在工具室中作為機具切削深度設定、夾治具校正或精密劃線之實體基準。

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(三) 三次元量床（Coordinate Measuring Machine, CMM）

1. 機具簡述與量測原理

• 結構：具備三個正交運動軸（$X$、$Y$、$Z$ 軸，如門型、懸臂型或橋型結構），各軸配備高精度光學尺。
• 原理：利用接觸式探針（Trigger Probe 或 Continuous Scanning Probe）或非接觸式雷射/光學測頭接觸工件表面，即時擷取各接觸點的三維空間座標 $(X, Y, Z)$。
• 後續處理：量測軟體利用最小平方法（Least Squares Method）或最小區域法（Minimum Zone Evaluation）將點雲擬合出幾何形狀（面、圓、球、圓柱、錐體），進而計算尺寸公差與幾何公差。

2. 使用時機

• 複雜幾何特徵與 3D 自由曲面檢驗：傳統單軸量具無法直接測量的曲面工件（如航太葉片、車身鈑金、引擎汽缸體、射出模具）。
• 完整幾何公差（GD&T）檢驗：需精確計算位置度（Position）、真圓度（Roundness）、同軸度（Concentricity）、輪廓度（Profile）等多特徵相對幾何關係時。
• 逆向工程（Reverse Engineering）：掃描實體樣品之幾何點雲以建立 CAD 模型。

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(四) 分厘卡（Micrometer）

1. 機具簡述與量測原理

• 原理：應用阿貝原理（量測軸線與基準尺規軸線重合於同一直線，無阿貝偏置誤差），並利用螺旋副將螺桿之旋轉運動轉換為線性位移。
• 機構與讀數：標準公制分厘卡螺桿螺距（Pitch）通常為 $0.5\text{ mm}$，微分筒（Thimble）圓周刻有 50 等分，故旋轉一格推進 $0.01\text{ mm}$；

核心觀念

本題測驗鑄造工程中「鑄模分類」之核心定義與工程應用。

1. 消耗模鑄造（Expendable-mold Casting）定義：指鑄模（Mold）僅供單次澆鑄使用，鑄件凝固冷卻後必須破壞鑄模方能取出鑄件之工法（相對於金屬模等永久模鑄造 Permanent-mold Casting）。
2. 名詞辨析：題目中文標註為「消失模鑄造法」，英文明確標註為「Expendable-mold Casting」。在機械製造學規範分類中：

• Expendable-mold（消耗模／損耗模）：著重於「模具（Mold）」為一次性破壞。
• Expendable-pattern（消失模型／消散模）：著重於「模型（Pattern）」在製程中熔化、燃燒或氣化消失（如脫蠟法、消散模法）。 考題出題者常將 Expendable-mold 廣義統稱為消耗模或消失模。作答時必須以英文專有名詞「Expendable-mold Casting」為準，並選取兼顧工程普遍性與模型消耗特性的四種最主流製程進行說明。

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解題方法

本題為標準申論題，答題架構應先明確界定消耗模之工程意義，接著逐一條列最常用的四種製程。每一種製程皆依「基本原理與造模流程」、「模具／模型材料」以及「工程特點與應用」三個維度作標準化展開，最後輔以綜合比較表，以符合公職閱卷給分標準。

採用的四種代表性工法為：

1. 砂模鑄造（Sand Casting）：應用最廣泛、歷史最悠久的基礎消耗模工法。
2. 殼模鑄造（Shell-mold Casting）：砂模的精密化改良製程。
3. 投資鑄造／脫蠟鑄造（Investment Casting / Lost-wax Casting）：結合消耗模與消失模型的高精密工法。
4. 消散模鑄造／消失模型鑄造（Lost-foam Casting / Evaporative-pattern Casting）：以氣化聚苯乙烯為模型之典型消失模工法。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。各製程的優缺點、限制與適用性詳見【答案】與比較表。

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解題技巧

1. 審題中英對照避陷阱：題目出現「消失模」常使考生誤以為僅能寫「消散模（Lost-foam）」相關變形，導致篇幅不足。看到英文「Expendable-mold」，應立刻確認出題核心為「模具一次性破壞的鑄造法」，砂模與殼模均屬此範疇。
2. 踩分三要素：閱卷委員評分重點在於「材料是什麼」、「成形與破模機制為何」、「尺寸精度與表面粗糙度表現」。每段說明務必點出關鍵專有名詞（如分模線、黏結劑、耐火漿、氣化置換）。
3. 記憶架構化：按「傳統低精度（砂模） $\rightarrow$ 砂模改良（殼模） $\rightarrow$ 精密脫蠟（投資） $\rightarrow$ 塑料氣化（消散模）」的演進邏輯作答，結構清晰且層次分明。

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【答案】

消耗模鑄造法（Expendable-mold Casting）係指鑄模每經一次澆鑄即遭破壞，不可重複使用之鑄造製程。產業界最常用的四種工法敘述如下：

一、砂模鑄造（Sand Casting）

1. 基本原理與流程： 將木製、金屬或塑膠製之模型置於砂箱（上下箱，Cope and Drag）內，填入混成砂並予以搗實緊實形成模穴。取出模型（需預留拔模斜度），合模並配置澆注系統與冒口，隨後注入熔融金屬。待金屬凝固冷卻後，將砂模震碎（落砂作業，Shakeout）以取出鑄件。
2. 材料系統：

• 模型：木材、鋁合金、塑膠。
• 鑄模材料：矽砂（高溫耐火骨材）配合膨潤土（Bentonite）黏土與水（生砂模），或添加呋喃樹脂（Furan resin）等化學黏結劑（硬化砂模）。

3. 特性與應用：

• 優點：設備與製造成本最低，幾乎可鑄造所有金屬與合金；尺寸與重量範圍最大（數十公克至數十噸均可）。
• 缺點：冷卻速率較慢、尺寸公差較大、表面粗糙度較差（$Ra$ 約 $6.3\sim 25\ \mu\text{m}$），且須考慮分模線與起模斜度。
• 典型應用：工具機底座、汽車引擎汽缸體、大型泵閥外殼及管配件。

二、殼模鑄造（Shell-mold Casting）

1. 基本原理與流程： 將加工精密的金屬模型預熱至約 $175^\circ\text{C}\sim 370^\circ\text{C}$，覆蓋混有熱固性樹脂的細矽砂。樹脂受熱融化並固化，在模型表面形成一層厚度約 $5\sim 10\text{ mm}$ 的硬化薄砂殼。

核心觀念

本題旨在測驗鋼鐵材料經由熱處理改變微觀組織與機械特性的核心理論——恆溫變態曲線（Time-Temperature-Transformation Diagram，簡稱 TTT 曲線，又稱 C 曲線 或 S 曲線）。主要涵蓋以下核心觀念：

1. 相變態熱力學與動力學：

• 鋼加熱至共析溫度 $A_1$（約 $727^{\circ}\text{C}$）以上完全沃斯田鐵化（Austenite, $\gamma$）後，急速冷卻至 $A_1$ 以下特定溫度並維持恆溫，沃斯田鐵會隨時間分解成不同相。
• 變態速率由「過冷度驅動力（$\Delta T = A_1 - T$）」與「碳原子擴散速率（$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$）」兩者的競爭決定，因而呈現典型的 C 形曲線，其最快變態轉折點稱為鼻部（Nose，約 $550^{\circ}\text{C}$）。

2. 組織與性能之對應關係：

• 恆溫溫度決定擴散距離與成核率，進而決定晶粒大小與析出相形態：
• 高溫區（$550^{\circ}\text{C} \sim 727^{\circ}\text{C}$）：擴散充分，形成層狀之波來鐵（Pearlite），硬度較低、延展性較高。
• 中溫區（$220^{\circ}\text{C} \sim 550^{\circ}\text{C}$）：擴散受限，形成羽毛狀或針狀之變韌鐵（Bainite），強度與韌性兼具。
• 低溫區（$< 220^{\circ}\text{C}$，即 $M_s$ 以下）：擴散停滯，產生剪切形變之無擴散變態，形成體心正方（BCT）的麻田散鐵（Martensite），硬度極高、脆性大。

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解題方法

本題為申論繪圖題，解答應以共析碳鋼（含碳量 $0.77\text{ wt}\%\text{ C}$）​為標準範例，切入架構包含兩大主軸：

1. 準確繪製 TTT 曲線示意圖：包含縱軸（溫度 $T$）、橫軸（對數時間 $\log t$）、特徵溫度線（$A_1$、$M_s$、$M_f$）、變態開始與結束曲線、各相區分佈。
2. 分段闡明熱處理路徑、組織微觀結構與材料特性之變化。

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步驟一：繪製共析碳鋼之 TTT 曲線示意圖

 溫度 T (°C)
 ^
800 |----------------- 穩定沃斯田鐵 (Stable Austenite, γ) -----------------
 |=================================================== A1 (727°C)
 | 過冷沃斯田鐵 (Unstable γ)
700 | : 粗波來鐵 (Coarse Pearlite)
 | : (開始線 1%) (結束線 99%) (軟、延展性高)
600 | .-' '-.
 | .' '. 細波來鐵 (Fine Pearlite)
500 |---------+--------------------------+------------- 鼻部 Nose (~550°C)
 | '. .'
400 | '-. .-' 上變韌鐵 (Upper Bainite)
 | : : (羽毛狀、強韌)
300 | : : 下變韌鐵 (Lower Bainite)
 | : : (針狀、高硬度與優良韌性)
200 |=================================================== Ms (~220°C)
 |----------------- 沃斯田鐵 + 麻田散鐵 (γ + M) -----------
100 |
 |=================================================== Mf (~50°C)
 0 |----------------- 100% 麻田散鐵 (Martensite, M) ------- (極硬且脆)
 +------------------------------------------------------------->
 10^-1 1 10 10^2 10^3 時間 t (s, 對數坐標)

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步驟二：依恆溫溫度區間說明材料特性之轉變

1. 波來鐵變態區（$550^{\circ}\text{C} \sim 727^{\circ}\text{C}$）：

• 形成機制：過冷沃斯田鐵共析分解為「肥粒鐵（$\alpha$）＋ 滲碳體（$\text{Fe}_3\text{C}$）」的層狀相間組織。
• 特性變化：
• 粗波來鐵（$650^{\circ}\text{C} \sim 727^{\circ}\text{C}$）：過冷度小、擴散快，層狀間距粗大（約 $0.5\sim 1\,\mu\text{m}$），硬度較低（約 $15\sim 20\text{ HRC}$），但延性與加工性良好。
• 細波來鐵（$550^{\circ}\text{C} \sim 650^{\circ}\text{C}$）：過冷度增加、成核數多，層狀間距極細（約 $0.1\,\mu\text{m}$），差排移動阻力大，強度與硬度明顯提升（約 $30\sim 35\text{ HRC}$），延性中等。

2. 變韌鐵變態區（$220^{\circ}\text{C} \sim 550^{\circ}\text{C}$）：

• 形成機制：鐵原子難以作長程擴散，碳原子局部擴散，於過飽和針狀肥粒鐵基質中析出極細小的碳化物。
• 特性變化：
• 上變韌鐵（$350^{\circ}\text{C} \sim 550^{\circ}\text{C}$）：肥粒鐵呈羽毛狀板條，棒狀滲碳體分佈於板條邊界，抗拉強度高，但衝擊韌性相對較弱。