109 地方特考四等 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

本題評量考生對現代切削加工製造現場三類代表性工具機的「結構機能」、「ISO 841 / CNS 工具機標準坐標系」，以及「加工製程適用性」之整合理解：

1. 工具機基本構型與部位名稱：包含傳遞動力之主運動機構（主軸、齒輪箱/馬達）、承載與進給機構（床台、滑座、鞍座、工作台）、支承與定位機構（尾座、機柱）。
2. 標準坐標系統（ISO 841 / CNS 規範）：

• $Z$ 軸：恆定義為平行於傳遞切削動力之主軸軸線；刀具遠離工件切入方向為正方向（$+Z$）。
• $X$ 軸：定義為平行於工件裝夾面且垂直於 $Z$ 軸之主進給方向；在車床為刀架徑向移動方向，在銑床為工作台之長向（左右）移動方向。
• $Y$ 軸：依右手直角坐標系（$\vec{X} \times \vec{Y} = \vec{Z}$）決定。
• 旋轉進給軸：繞 $X$、$Y$、$Z$ 軸旋轉運動分別定義為 $A$ 軸、$B$ 軸、$C$ 軸，旋轉正向依右手螺旋定則判定。

3. 加工工藝對象與時機：工件幾何特徵（對稱旋轉體、平面/型腔、三維複雜自由曲面）與定位裝夾策略（一次裝夾多面加工以降低累積誤差）。

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解題方法

本題為典型申論題，採「三階段結構化對比法」作答：

1. 針對題目指定之「車床」、「銑床」、「五軸 CNC」三類，各選取考試最標準且常見之代表構型：

• 車床：臥式車床（Horizontal Lathe）
• 銑床：立式升降台銑床（Vertical Knee-and-Column Milling Machine）
• 五軸 CNC：雙轉台型立式五軸加工機（Trunnion / Tilt-Rotary Table Type 5-Axis VMC）

2. 每類工具機皆依題目四項核心要求依序分點論述：

• 構型與簡圖（考場便於快速手繪之幾何方塊架構）
• 主要部位名稱
• 主軸與進給軸向定義
• 使用時機與加工工件

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選項分析

本題為國家考試公職專技之「申論申述題」，非選擇題型，無選項。閱卷評分重點與評分權重分析如下：

1. 圖示完整度與工程圖感：簡圖需明確繪出「基座、導軌、主軸箱、進給機構」之空間相對配置，不可僅有文字而無示意圖。
2. 軸向判別之精確度（關鍵失分點）：

• 考生最常失分於 $Z$ 軸標示錯誤。$Z$ 軸必定與工具機主軸重合或平行，切削深度方向與刀具撤離方向（$+Z$）必須明確標示。
• 五軸之旋轉軸符號（$A$、$B$、$C$）必須與所選機構（傾斜軸、轉台旋轉軸）正確對應，不可混淆。

3. 使用時機論述具體度：不能僅泛稱「加工金屬」，必須點出工件形狀特徵（例如迴轉體、箱體平面、非展延自由曲面、航太葉輪等）。

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解題技巧

1. 主軸與進給軸判別口訣：

• 「先定 $Z$ 軸」：主軸轉動軸線即為 $Z$ 軸。
• 「刀具退離為正向」：刀具遠離工件的方向一律為 $+Z$。
• 「右手法則定直交」：食指指向 $+Y$，中指指向 $+Z$，大拇指即為 $+X$。
• 「旋轉軸對應英文字母序」：繞 $X$ 轉為 $A$，繞 $Y$ 轉為 $B$，繞 $Z$ 轉為 $C$。

2. 考場手繪圖速繪法則：

• 採用「二維框圖（Block Diagram）」或「簡易等角透視圖」繪製。
• 繪出機體輪廓後，立即用粗箭頭配合坐標軸標記（如 $\pm X, \pm Z$）與部位引線標註，即可獲取完整圖示分數。

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【答案】

一、車床（以普通臥式車床為例）

1. 構型簡圖

 +-------------------------------------------------------------+
 | [主軸箱] |
 | Headstock |
 | +---------+ |
 | | 夾頭 | |
 | | Chuck | 工件 (Workpiece) |
 | | [===] |=======O========= |
 | +---------+ |
 +-------------------------------------------------------------+
 | | [尾座] Tailstock
 | 刀架 | +-------+
 | Tool | | 頂針 |
 ^ +X | Post | | |
 | (徑向進給) +-------+ +-------+
 | [床鞍] Saddle |
 +---> +Z (軸向進給) |
 ==============================================================+
 床台 (Bed) 
 ==============================================================+

2. 主要部位名稱

1. 主軸箱（Headstock）：內含主軸、變速齒輪組與主驅動馬達，前端安裝夾頭以夾持並驅動工件旋轉。
2. 床台（Bed）：機體本體，上方具高精度淬硬導軌（V形與平形導軌），支承床鞍與尾座並引導其滑動。
3. 床鞍與刀架組（Carriage & Tool Post）：

• 床鞍（Saddle）：沿床台導軌做縱向移動。
• 橫向滑座（Cross-slide）：提供垂直於主軸軸線之徑向移動。
• 複式刀座與刀架（Compound Rest & Tool Post）：夾持車刀，提供微調進給及錐度車削角度。

4. 尾座（Tailstock）：置於床台右端導軌，可用頂針支撐細長工件，或安裝鑽頭、鉸刀進行中心孔加工。
5. 導螺桿與進給桿（Lead Screw & Feed Rod）：傳遞走刀箱運動以驅動刀架進給或進行精密螺紋車削。

3. 主軸及進給軸向

• 主軸運動：夾頭帶動工件繞 $Z$ 軸旋轉，為主要切削旋轉運動（單位：$\text{rpm}$ 或切削速度 $V$）。
• 進給軸向：
• $Z$ 軸（縱向進給）：平行於主軸線。刀架向右（遠離主軸箱夾頭方向）為 $+Z$，向左向主軸前進為 $-Z$。
• $X$ 軸（橫向/徑向進給）：垂直於主軸線。

核心觀念

本題屬於《機械製造學》中「鑄造加工（Casting Process）」的經典核心題型，測驗考生對傳統「砂模鑄造（Sand Casting）」完整製程生命週期、模具整體幾何配置，以及「澆注系統（Gating System）」與「冒口補縮系統（Riser System）」各組件功能與流體力學／傳熱學原理的整合認知。

關鍵定義與原理：

1. 砂模鑄造定義：利用型砂（矽砂添加黏結劑如膨潤土與適量水分）包覆模型造型，硬化後取出模型形成特定形狀之閉合模穴，將液態熔融金屬澆注入模穴內，待冷卻凝固後破壞砂模以取得工件之成形方法。
2. 澆注系統（Gating System）：由澆口杯、豎澆道、橫澆道與內澆道構成，其目的在於導引液態金屬平穩、均勻地充滿模穴，同時降低紊流（Turbulence）、防止氧化夾渣與捲氣。
3. 冒口補縮原理（伏林諾夫準則，Chvorinov's Rule）： $t = B \left( \frac{V}{A} \right)^n$ （其中 $t$ 為凝固時間，$B$ 為模具常數，$V$ 為體積，$A$ 為表面積，$n$ 通常取值約為 $1.5 \sim 2.0$）。冒口的凝固時間必須大於鑄件本體的凝固時間，利用重力在金屬液相凝固收縮時持續補注熔融金屬，消除鑄件內部的收縮孔（Shrinkage Cavity）缺陷。
4. 砂心與砂心座（Core & Core Print）：用於塑造鑄件之內部孔洞、中空結構或複雜凹槽外形。

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解題方法

本題為公職考試標準的兩段式申論問答題，作答時切入方法如下：

1. 製程時間軸展開法：按工業生產先後順序，將砂模鑄造分解為「模型與砂心製作 $\to$ 配砂與造模 $\to$ 合模與定位 $\to$ 熔煉與澆注 $\to$ 冷卻凝固與落砂 $\to$ 清整修整與檢驗」六大標準步驟，條理分明。
2. 圖文並茂系統法：

• 繪製清晰的砂模縱剖面示意圖（包含上砂箱、下砂箱、分模面、模穴、砂心及完整的流道與排氣系統）。
• 將砂模各部名稱按「功能系統」有系統地條列，並給予精準的中文與英文專有名詞對照，清楚交代各部位在充填、補縮、排氣與定位上的實務用途。

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選項分析

（本題為國家考試專業科目之申論問答題，無選擇選項；以下就本題兩大子題之答題重點與評分關鍵進行剖析）：

1. 子題一「砂模鑄造過程」得分要點：

• 避免僅粗略帶過「倒鐵水、冷卻、敲碎」等口語化描述。
• 務必提及「模型製作時需預留收縮裕度（Shrinkage allowance）與拔模斜度（Draft angle）」、「砂心的支撐與定位（砂心座）」以及「落砂後的清整（去澆冒口、噴砂噴丸）與檢驗」，方能取得完整分數。

2. 子題二「圖示說明各部位名稱及用途」得分要點：

• 圖示評分構面：上砂箱（Cope）與下砂箱（Drag）必須由分模線（Parting line）截然分開；澆注通道的進流順序（澆口杯 $\to$ 豎澆道 $\to$ 橫澆道 $\to$ 內澆道）不可顛倒；冒口必須設置在鑄件較厚大處（最後凝固處）。
• 功能說明構面：冒口的功能不可僅寫「看鐵水有沒有滿」，必須精準寫出「補償凝固收縮、防止縮孔」；通氣孔需寫出「排出模穴空氣與高溫砂模產生之氣體，避免氣孔（Blowholes）」。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：砂模六大部位系統可記為「箱、面、穴、心、澆、冒、氣」：

• 箱／面：上砂箱、下砂箱、分模面。
• 穴／心：模穴、砂心、砂心座。
• 澆：澆口杯、豎澆道（含澆道井）、橫澆道、內澆道。
• 冒／氣：冒口（明冒口／暗冒口）、通氣孔。

2. 作圖技巧：

• 考試時建議佔據試卷約 8～10 行空間作圖，線條清晰整齊。
• 引導線（Leader line）單側引出或水平拉出，名稱以中英文並列標記，給予閱卷委員高專業度的版面印象。

3. 關鍵防呆提醒：

• 澆口杯底部通常設有「澆道井（Sprue well）」，用以緩和金屬液下衝之動能並減少沖砂與雜質帶入。
• 砂心外部露出、崁入砂模本體受砂支撐固定的凹槽稱為「砂心座（Core print）」，說明時切勿遺漏。

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【答案】

一、砂模鑄造過程（Sand Casting Process）

砂模鑄造是將金屬熔液注入由型砂製成之鑄模中，經冷卻凝固後獲得鑄件之製造程序，其標準完整工序可分為下列六個階段：

1. 模型與砂心製作（Pattern and Core Making）：

• 依零件設計圖製作實體模型（木模、金屬模或塑膠模）。製作時須預留金屬冷卻收縮量（收縮裕度）、易於脫模之拔模斜度（Draft Angle），以及後續切削所需的機械加工裕度。
• 若鑄件具有內部中空或複雜形狀，則需以芯砂（含黏結劑）經高溫烘焙或化學硬化製作「砂心（Core）」。

2. 配砂與造模（Sand Preparation and Molding）：

• 將矽砂、黏結劑（如膨潤土）、水及微量添加劑均勻拌合為型砂。
• 將模型分別置於「下砂箱」與「上砂箱」中填砂並以手動或機械搗實，取出模型後即在砂模內部形成「模穴（Mold Cavity）」與澆注流道系統。

3. 砂心安放與合模（Core Setting and Mold Assembly）：

• 將砂心準確安放在下模之「砂心座（Core Print）」上定位。

核心觀念

本題測驗「接合製程」（Joining Processes）中**電阻焊接（Resistance Welding, RW）**的基礎熱力學原理、接合機制及工業製造應用。

1. 焦耳定律（Joule's Law）：電阻焊接利用電流通過工件本身及接觸界面時產生的電阻熱作為熱源。 $H = I^2 R t$

• $H$：產生的熱量（Joule, $\text{J}$）
• $I$：焊接電流（Ampere, $\text{A}$，通常為數千至數萬安培之大電流）
• $R$：迴路總電阻（Ohm, $\Omega$），包含電極電阻、工件本體電阻以及「工件與工件接觸界面電阻」
• $t$：通電時間（Second, $\text{s}$ 或週波數 Cycles，通常極短）

2. 接觸電阻與熔核形成：工件界面間因微觀表面粗糙度僅有局部接觸點，此處接觸電阻最大，通電瞬間產生最高溫並局部熔融，在電極夾持壓力下形成「熔核」（Weld Nugget）。
3. 加壓熔接特性：屬於加壓熔接法，加熱與加壓（鍛壓）同時或依序進行，通常不需額外添加填料金屬（焊料），亦不需保護氣體。

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解題方法

本題為四等國家考試標準的兩段式申論問答題，配分通常為 20～25 分。切入架構應精準拆解為兩大主軸：

1. 工作原理剖析：

• 寫出核心公式 $H = I^2 R t$ 並說明各變數物理意義。
• 說明電阻分佈關係：強調工件接觸界面的電阻遠大於電極與金屬本體電阻，熱量集中於界面。
• 說明壓力與熱的協同工作循環（夾持預壓 $\to$ 通電加熱熔融 $\to$ 鍛壓保持凝固 $\to$ 釋放）。

2. 應用範圍歸納：

• 以工業常見的四種電阻焊接分類（點焊、縫焊、凸焊、閃焊/對焊）展開，條列其加工特徵與具體製品。
• 補充適用的材料種類（如低碳鋼薄板）與工件厚度特徵，使答案兼具「工藝類型」與「材料維度」之完整性。

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選項分析

本題為申論問答題（非選擇題），評分標準取決於答題架構完整性與專業術語的精確度。閱卷給分結構建議如下：

• 子題一：工作原理（約佔 50% 分數）
• 列出焦耳熱公式並定義各項參數（得基礎分）。
• 清楚說明界面接觸電阻造成局部熔化與外加電極壓力的作用（得關鍵分）。
• 能交代焊接循環週期（預壓、通電、保壓、釋放）者可獲滿分。
• 子題二：應用範圍（約佔 50% 分數）
• 若僅籠統回答「汽車車體、薄板」，僅能得基本分數。
• 必須依據製程子類別（點焊、縫焊、凸焊、閃焊）分別列出具體製品（如油箱、車身、金屬絲網、鋼軌對接），並點出適用的材料特性（低碳鋼薄板最優、高導電導熱材料需特殊條件），方可取得完整分數。

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解題技巧

1. 公式帶出三大特點：由 $H = I^2 R t$ 可直接推導出電阻焊的製程特徵——低電壓（約 1～10 V）、極大電流（數千至數萬 A）、極短時間（小於 1 秒）。
2. 避免常見盲點：

• 盲點一：誤以為電阻焊接需要焊條。電阻焊靠母材本身熔融或塑性變形結合，無填料金屬。
• 盲點二：忽略「壓力」的角色。焦耳熱僅負責熔化，電極壓力負責防止飛濺、密合界面、細化晶粒及冷卻時鍛壓成型，兩者缺一不可。
• 盲點三：電極材料多選用銅合金（如鉻銅、鈹銅），因其導電率高、接觸電阻極低，可防止電極自身熔接於工件上。

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【答案】

核心觀念

本題旨在測驗考生對於機械製造中三大基礎工法——成型加工（模鍛）、**去除加工（切削）及凝固加工（鑄造）**之製程特徵、尺寸控制機制與微觀組織特性的綜合比較能力。核心理論涵蓋：

1. 尺寸精度決定機制：工具與工件接觸剛性、固/液相變收縮量、熱脹冷縮效應、模具磨耗及彈性回復（回彈）。
2. 材料強度決定機制：凝固缺陷（縮孔、氣孔）、微觀晶粒結構（樹枝狀晶、等軸晶）、**金屬流線／晶粒流向（Grain Flow Lines）**之連續性，以及冷/熱塑性加工所誘發之加工硬化與組織細化效應。

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解題方法

本題屬於典型國考申論比較題，評分關鍵在於「結論明確（高低排序）」結合「微觀與巨觀機制（成因剖析）」。答題架構採取雙軌對比展開：

1. 尺寸精度面向：建立精度大小順序，並從「熱相變收縮」、「加工幾何控制方式」與「模具磨耗」解釋差異成因。
2. 機械強度面向：建立強度優劣順序，並從「結晶微觀缺陷」、「晶粒流線分佈（連續 vs. 切斷 vs. 無流線）」與「應力集中」深入說明成因。
3. 整合彙整：列出清晰對照表，使閱卷委員一目了然。

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申論詳解

一、尺寸精度之差異及成因分析

1. 尺寸精度排序

$\text{切削加工} > \text{模鍛成型} > \text{鑄造}$

2. 形成差異之原因

• 切削加工（精度最高）：
• 剛性與微量進給：切削採用高剛性機床與確定幾何形狀之硬質刀具，透過直接微量去除多餘材料來達到要求尺度，公差控制可達 IT6～IT8。
• 無巨額相變收縮：加工通常在常溫或控制溫升下進行，無固/液態相變化，避免了金屬熔融再凝固的劇烈體積收縮問題。
• 模鍛成型（精度居中）：
• 模穴成形與回彈：鍛件形貌由模具型腔強制成形，精度優於鑄造；但熱鍛成形後存在「高溫冷卻收縮」以及模具受壓變形、脫模斜度等問題。
• 模具磨耗與氧化皮：高溫高壓下模具表面會發生熱磨耗與塑性變形，且熱鍛表面易生成氧化皮，使尺寸精度受到限制（一般公差約為 IT11～IT13）。
• 鑄造（精度最低，以常規砂模為基準）：
• 液固相變收縮劇烈：金屬液凝固至冷卻室溫過程中，會歷經液態收縮、凝固收縮及固態收縮（體積收縮率常達 $3\% \sim 7\%$），冷卻速度不均容易引發變形與翹曲。
• 模壁退讓與起模公差：鑄模受熱膨脹、金屬液靜壓力造成砂模退讓，加上起模時所需之拔模斜度與振動，皆導致尺寸變異最大（一般公差約為 IT13～IT16）。

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二、機械強度之差異及成因分析

1. 機械強度排序

$\text{模鍛成型} > \text{切削加工} > \text{鑄造}$ (註：以耐衝擊強度、疲勞壽命及延性最為顯著)

2. 形成差異之原因

• 模鍛成型（強度最高、韌性最佳）：
• 晶粒流線連續完整：在模具腔內經劇烈塑性變形，金屬內部晶粒沿零件幾何外型呈連續且緻密的晶粒流向（Grain Flow Lines），沒有切斷纖維組織，對抗剪切與彎曲應力效果最佳。
• 消除微孔與組織細化：重型鍛壓能壓合鑄錠原有的微孔、氣隙等鬆散缺陷，配合熱塑性加工後的動態再結晶，大幅細化晶粒，使降伏強度與衝擊韌性顯著提升。
• 切削加工（強度居中）：

核心觀念

本題考查機械加工中精密表面精飾與裝配技術——鏟花（Scraping，又稱刮研）。核心觀念涵蓋以下面向：

1. 微量切削本質：鏟花是利用特製手工具或電動／氣動鏟刀，以人工微量切削（切深通常在數微米 $\mu\text{m}$ 級別）去除工件表面微小高點的超精密加工方法。
2. 接觸點密度與幾何形貌控制：透過標準量具（如標準平板）與顯色劑（紅丹、藍丹、普魯士藍）對研顯色，逐步消除機械加工（如銑、磨）殘留之內應力變形、刀痕與幾何誤差，控制每平方英吋接觸點數（PPI, Points Per Inch）。
3. 動壓潤滑與油膜維持原理：鏟花製造出微觀「高接觸點」與「微凹油穴（Oil Pockets）」相間的拓撲形貌，可在運動滑動面間儲存潤滑油並形成強韌動壓油膜，防止金屬直接接觸，克服「黏滑現象」（Stick-slip）。

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解題方法

本題為標準的三段式申論問答題（分值通常為 $15 \sim 20$ 分），切入方式應依題意直接拆解為「目的」、「過程」及「用途」三大主軸：

1. 結構編排策略：採「總論 $\to$ 目的 $\to$ 過程 $\to$ 用途」之嚴謹層次作答，先提目的建立技術存在的必要性，再敘述工程實現之工序，最後列舉產業具體對象。
2. 關鍵字精準植入：閱卷老師評閱採「採點給分制」，必須精準寫出「真平度／垂直度修整」、「消除殘留應力變形」、「儲油潤滑／油穴」、「防止黏滑（Stick-slip）」、「塗色研合顯色」、「交錯刮削」、「工具機滑軌／導軌」等閱卷標準關鍵詞。
3. 量化與工藝細節具象化：切削角度（約 $30^\circ \sim 45^\circ$）、網狀交錯紋路、接觸點密度（如粗鏟 $8 \sim 12\text{ PPI}$、精鏟 $20 \sim 25\text{ PPI}$）等具體工藝數據，能展現考生的專業深度。

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選項分析

本題為申論簡答題，無選項分析。在申論題作答評分標準中：

• 若僅答出「修平表面」而未提及「儲存潤滑油、防止黏滑」，得分將損失約三分之一。
• 若「過程」僅寫「用刀刮平」而未寫出「塗顯色劑 $\to$ 對研 $\to$ 顯色判斷 $\to$ 鏟削 $\to$ 循環換向」的研合反覆程序，過程分將被大幅扣除。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：

• 目的口訣：「平、油、準、久」（幾何真平、儲油潤滑、裝配精準、耐磨持久）。
• 過程口訣：「整、塗、研、鏟、轉」（前置修整 $\to$ 塗顯色劑 $\to$ 對研顯高點 $\to$ 刮鏟高點 $\to$ 旋轉換向交錯）。

2. 常見陷阱：

• 誤以為「研磨（Grinding）比鏟花更平整，故鏟花落後應被淘汰」：研磨表面過於平整光滑，滑動時容易將潤滑油完全擠出產生真空吸附，引發嚴重磨損與黏滑；鏟花之微觀油袋是維持動態低摩擦阻力的關鍵，兩者功能完全不同。
• 遺漏固定接合面（靜態配合）之功能：鏟花不只用於動態滑軌，亦用於立柱底座等重載固定接合面，以達到應力均勻分佈、提升組裝剛性與抗震性。

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【答案】

一、鏟花之定義與目的

鏟花（Scraping，或稱刮研）是一種利用特製手工或動力鏟刀，對經銑削、鉋削或研磨後的金屬表面進行微量切削的精密加工與修整工藝。其主要目的如下：

1. 修正幾何精度與消除熱/應力變形：

• 機械加工過程所產生的夾持應力、加工切削熱應力在釋放後常使工件翹曲；