113 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

本題考查砂輪規格的選擇，重點是「粒度」與「工件硬度」如何影響磨削效果。砂輪由磨粒、結合劑與氣孔組成；粒度表示磨粒的粗細，通常以粒度號數表示，號數愈大，磨粒愈細；號數愈小，磨粒愈粗。

選擇砂輪時，除了考慮加工目的與工件硬度，也須留意材料性質、接觸面積、去除量及表面粗糙度要求。本題未指定砂輪磨料、結合劑與磨床條件，以下依一般磨削原則作答。

（一）精磨與粗磨的粒度選擇

• **粗磨：選粗粒度砂輪。**粗磨重視較大的材料去除量與較高的磨削效率。粗磨粒的切屑容納空間較大、不易被切屑堵塞，適合大餘量去除；但加工表面較粗糙。
• **精磨：選細粒度砂輪。**精磨重視尺寸精度與表面品質。細磨粒可形成較細密的磨刃，減少單一磨粒造成的刮痕，使工件表面較平滑；但切屑空間較小，若切削條件不當，較容易堵塞或發熱。

因此，粗磨與精磨的選擇方向相反：粗磨選粗粒度，精磨選細粒度。若精磨時接觸面積大或工件材料容易堵塞砂輪，仍須配合砂輪硬度、修整及冷卻條件調整，不能只依粒度決定。

（二）依工件硬度選擇砂輪

核心觀念

離心鑄造法是將熔融金屬注入旋轉中的鑄模，使金屬受旋轉產生的離心力作用而貼附於模壁，凝固後形成鑄件。其主要特色是能利用離心力促進金屬充填，並使熔渣、氣孔等較輕或較不致密的物質聚集於鑄件內側，便於後續加工去除。

區別三種離心鑄造法，關鍵在於鑄模旋轉軸與鑄件形狀的關係，以及離心力是否直接形成鑄件本身的形狀。

解題方法

依「鑄件是否為中空環狀、是否具有中央輪轂，以及離心力的主要用途」逐一分類：

核心觀念

本題考查切削加工中刀具與切削液的功能及選用條件。刀具直接承受高溫、高壓與摩擦，須能長時間維持切削能力；切削液則兼具冷卻、潤滑、排屑及防護等作用。作答時宜分別從「性能要求」及其加工效果說明。

解題方法

依加工中的主要需求歸納：刀具著重硬度、耐熱與耐磨、強度韌性及化學穩定性；切削液著重冷卻、潤滑、清洗排屑與防鏽，並補充安全、穩定及使用經濟性。

（一）切削刀具被要求的特性

1. 高硬度與高耐磨性：刀具硬度須高於工件材料，才能切入工件；耐磨性佳可減少刀面及刀腹磨耗，延長刀具壽命並維持尺寸精度。
2. 高熱硬性（紅硬性）：切削區溫度高，刀具在高溫下仍須保持硬度與切削能力，避免軟化、變形及快速磨耗。
3. 足夠的強度與韌性：刀具須承受切削力、衝擊及振動，避免崩刃、斷裂；間斷切削或加工硬脆材料時，韌性尤其重要。
4. 良好的抗熱震性：能承受切削時的快速升溫與冷卻，降低熱裂及刃口破損；使用切削液時，刀具也須適應冷熱交替。
5. 良好的化學穩定性與抗氧化性：高溫下不易與工件材料或周遭氣體發生不利反應，減少擴散、氧化及黏著磨耗。
6. 低摩擦係數及良好的抗黏著性：可降低刀具與切屑間的摩擦、切削力與切削熱，減少積屑瘤及切屑黏附。
7. 良好的導熱性：有助於傳導並散出切削熱，降低刃口局部過熱；但仍須兼顧高溫硬度與耐磨性。
8. 良好的製造與刃磨性：刀具材料應能加工成所需形狀，並可磨出鋒利、穩定的切削刃。
9. 經濟性：材料與製造成本合理，且具有足夠刀具壽命及加工效率，使整體生產成本降低。

（二）切削液被要求的特性

核心觀念

點焊（spot welding）是電阻銲接的一種，主要用來接合搭接的薄板。銲接時，兩片金屬板被一對電極夾緊，利用電流通過工件接觸面所產生的電阻熱，使局部金屬熔化並形成熔核；停止通電後，持續施壓使熔核凝固，形成點狀接合。

點焊主要依靠電阻熱加熱，通常不需填料金屬或銲劑。

解題方法：工作原理

點焊的加熱量可用焦耳定律表示：

其中 $Q$ 為產生的熱量、$I$ 為銲接電流、$R$ 為電流通路的電阻、$t$ 為通電時間。電極壓力、電流及通電時間需適當配合，才能使工件接觸面形成足夠熔融的熔核，又不致造成過度熔化或飛濺。

典型操作順序如下：

1. 夾持加壓：上下電極夾住搭接工件，使板材接觸面緊密貼合。
2. 通電加熱：大電流經電極與工件形成迴路，接觸區產生電阻熱；工件接觸面因局部電阻熱集中而熔化。
3. 形成熔核：在電極壓力下，熔融金屬集中於接合區，形成熔核。
4. 停止通電並保壓：切斷電流後仍維持壓力，使熔核冷卻、凝固。
5. 卸壓取件：熔核凝固後，電極分開，完成點狀接合。

點焊的優點

1. 生產速度快：單一焊點的加熱與接合時間短，適合大量生產及自動化作業。
2. 易於機械化與自動化：電流、加壓力及通電時間可由設備控制，重複性佳。
3. 不需填料金屬與銲劑：製程簡單，通常不需額外銲材或銲劑。
4. 熱影響範圍較小：熱量集中於電極間的局部區域，可減少整體工件受熱與變形。

核心觀念

本題考查單刃切削刀具的幾何角度與刀鼻形狀，及其對切屑形成、切削力、刀具強度、加工表面品質和刀具壽命的影響。各項幾何特徵需放在適當的參考平面或刀刃位置理解：

• 傾斜角（rake angle）：刀面相對切削方向的傾斜程度，影響切屑流動與刀刃強度。
• 切刃角（cutting edge angle）：主切刃相對進給方向的平面角度，影響切屑厚度、切削寬度及力的方向。
• 隙角（relief angle）：刀腹面與新加工表面之間的角度，避免刀腹摩擦工件。
• 刀鼻圓角半徑（nose radius）：刀尖圓弧的半徑，影響刀尖強度、表面粗糙度與切削力。

解題方法

依序說明各幾何特徵的定義或位置，再連結它對切削的主要影響。方向判斷上，傾斜角偏正通常有利於切屑流動、降低切削力，但會削弱刀刃；隙角則要足以避免摩擦，又不能大到使刀尖變弱。切刃角與刀鼻圓角則分別從切削幾何分配和刀尖形狀，說明其對切削負荷與加工表面的影響。

(一) 傾斜角（rake angle）

傾斜角是刀具前刀面相對切削方向的傾斜角度；依刀具角度系統及其參考平面，常區分為前傾角（back rake angle）與側傾角（side rake angle）。其正負以刀面引導切屑流動的方向判定。

• 正傾斜角使切屑較容易沿前刀面流出，通常可減少切屑變形與切削力、降低切削溫度，適合較易切削的材料。
• 負傾斜角使刀刃楔角較大、刃口強度較高，適用於硬而脆的刀具材料、斷續切削或高負荷切削；代價是切削力及發熱通常增加。
• 傾斜角過大會使刀刃變薄、強度不足，易崩刃；過小或過度負值則會使切屑流動不易，增加切削負荷。

(二) 切刃角（cutting edge angle）

切刃角通常指主切刃與進給方向在基準平面上的夾角；在常見的單刃車刀幾何中，亦稱主偏角或進入角。它會改變切削刃與工件的接觸方式，並分配切削厚度、切削寬度及切削力方向。

• 切刃角較小時，切削刃參與切削的長度較長，單位刃長負荷較低，切屑較薄、較寬；切削力較多朝向工件軸向，工件較易受軸向推力影響。