112 地方特考四等 機械工程類科 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

刀具磨損是刀具與工件、切屑長時間接觸後，因摩擦、黏著、擴散及高溫等作用，使刀具材料逐漸損失或刃口形狀改變的現象。常見型態可依磨損發生的位置與形貌，分為後刀面磨損、月牙窪磨損、刃口缺口磨損及刀尖磨損。

解題方法

作答時先指出磨損發生在刀具哪個面或部位，再說明形成原因與對切削的影響：

1. 後刀面磨損（flank wear）：發生在刀具後刀面與已加工工件表面接觸處。主要由摩擦、磨粒作用及黏著作用造成，常形成沿切削刃延伸的磨耗帶。後刀面磨損會使切削力與切削溫度上升，並影響加工尺寸與表面粗糙度。
2. 月牙窪磨損（crater wear）：發生在刀具前刀面與切屑接觸的區域，磨耗區呈凹陷狀。切屑在高溫下流過前刀面，造成摩擦、黏著及擴散等作用，因而逐漸形成月牙形凹窪。磨損過深會削弱切削刃，增加崩刃風險。
3. 刃口缺口磨損（notch wear）：在切削刃與工件表面交界處，常於工件表面硬化層、氧化皮或切削深度線附近形成局部缺口。局部硬度變化、氧化磨耗及黏著作用都可能促成缺口；缺口擴大會使切削刃局部破損，並影響加工表面。
4. 刀尖磨損（nose wear）：發生在刀尖或刀尖圓弧處，常與局部高溫、高壓及摩擦有關。刀尖磨損會改變刀尖半徑與切削幾何，使加工尺寸及表面品質變差。

解題技巧

記住磨損位置即可快速辨認：後刀面磨損在「工件側」、月牙窪磨損在「切屑側」、缺口磨損在「切削深度線附近」、刀尖磨損在「刀尖圓弧處」。答題時補上各自的成因與加工影響，比只列名稱完整。

（二）切削劑的功能與應具備的性質

核心觀念

核心觀念

鑄件尺寸與模型尺寸不會完全相同。鑄造過程中的金屬凝固、冷卻，以及後續加工與取出等作業，都會影響成品的尺寸或形狀。模型設計時須預留適當的模型裕度（pattern allowances），以補償這些影響。

解題方法

依鑄造流程與鑄件可能發生的尺寸、形狀變化，列出五種常見模型裕度，並說明各自的補償目的：收縮、加工、拔模、變形及振動（或敲模）裕度。

五項模型裕度及說明

1. 收縮裕度（shrinkage allowance） 金屬由液態凝固並冷卻至室溫時會收縮，鑄件尺寸因此小於模型尺寸。模型須依鑄造合金的收縮率適度放大，以使鑄件冷卻後達到要求尺寸。

2. 加工裕度（machining allowance） 鑄件表面可能有氧化皮、砂粒附著、表面粗糙或尺寸不均等情形；需要機械加工的部位，模型須預留額外材料，供後續切削至規定尺寸及表面品質。

核心觀念

本題考查金屬塑性加工中熱作與冷作的定義，以及加工溫度如何影響變形抗力、加工硬化、組織與成品精度。

• 熱作（hot working）：金屬在高於其再結晶溫度時進行塑性加工。加工期間，金屬因變形而產生的加工硬化，可由回復與再結晶作用消除或大幅降低。
• 冷作（cold working）：金屬在低於其再結晶溫度時進行塑性加工，通常在室溫附近進行。變形造成的位錯增加與加工硬化會保留下來，使材料強度、硬度提高，但延性降低。

再結晶溫度不是所有金屬通用的固定數值，會受材料種類、純度、先前冷作量及加熱時間等因素影響；因此判斷熱作或冷作，應以材料本身的再結晶溫度為基準。

解題方法

可由「加工溫度 → 材料變形與組織變化 → 加工力、成品性質與製程成本」逐項比較。作答時分別列出兩者的優點與缺點，並點出各自適用的需求：熱作適合大變形量及改善鑄胚缺陷；冷作適合要求尺寸精度、表面品質或加工硬化強化的場合。

熱作的優缺點

優點

1. 變形抗力較低，所需加工力較小 高溫提高金屬的塑性與延性，材料較容易變形，適合大幅度加工或大型工件成形。

2. 可進行較大的變形量，較不易因加工硬化而開裂 熱作時回復與再結晶可在加工期間進行，加工硬化不會持續累積至冷作程度，因此能連續進行較大的塑性變形。

3. 可改善鑄胚的組織與缺陷 熱加工可使鑄態組織破碎、孔隙受到壓合，並使材料組織與成分分布趨於均勻；但不能因此認定所有內部缺陷都能完全消除。

4. 可加工較難於冷態成形的材料或大型材料 例如大型鋼錠的初期軋製，常利用熱作降低變形阻力並取得所需形狀。

缺點

1. 尺寸精度與表面品質較差 工件冷卻時會熱收縮，氧化皮也可能形成或脫落，因而增加尺寸控制難度，表面較粗糙。

2. 加熱與設備成本較高 需提供加熱所需的能源，並使用耐高溫設備與工具；高溫也使作業環境與製程控制更複雜。

3. 可能發生氧化、脫碳及表面缺陷 金屬在高溫下暴露於氣氛中，表面可能氧化或脫碳，影響外觀、尺寸及表層性質。

核心觀念

本題考查 CNS 焊接符號的三項基本規則：

1. 基準線與箭頭線：用來建立焊接符號的標註位置。
2. 基本焊接符號：表示焊接接頭的形式，例如對接焊、V 形槽、U 形槽等。
3. 補充符號與尺寸標註：表示焊縫表面形狀、焊接尺寸、角度及圓角半徑。

本題為對接接頭的雙面焊接，且具有圓弧根部，因此採用 雙 U 形槽對接焊符號。

一、CNS 焊接符號的標註方法

1. 基準線

焊接符號以一條水平基準線為主體：

──────────────────────────────

基準線的作用是放置基本焊接符號、尺寸及補充符號。

2. 箭頭線

箭頭線由基準線的一端斜向指向焊接部位：

 ↘
──────────────────────────────

箭頭所指的接頭側稱為箭頭邊；基準線的另一側稱為箭頭對邊。

3. 基本焊接符號的位置

• 焊接符號標在基準線下方：表示箭頭邊焊接。
• 焊接符號標在基準線上方：表示箭頭對邊焊接。
• 雙邊焊接時，基準線上下均須標示焊接符號。

4. 尺寸標註位置

一般規定如下：

• 焊縫深度、焊腳尺寸等，標在焊接符號的左側。
• 焊縫長度、節距等，標在焊接符號的右側。
• 槽角度標於基本符號附近。
• 圓角半徑以 $R$ 表示，例如 $R2$ 即圓角半徑為 $2\ \mathrm{mm}$。

5. 焊縫表面形狀補充符號

• 平面填平：以直線表示。
• 凸面：以向外凸出的弧線表示。
• 凹面：以向內凹入的弧線表示。

二、依題意繪製焊接符號

1. 題目資料判讀

題目給定：

• 接頭形式：對接接頭（Butt joint）
• 焊接方式：雙邊焊接
• 槽角度：$60^\circ$
• 圓角半徑：$R=2\ \mathrm{mm}$
• 箭頭邊焊接深度：$3\ \mathrm{mm}$
• 箭頭邊表面：填平
• 箭頭對邊焊接深度：$4\ \mathrm{mm}$
• 箭頭對邊表面：凸面

因為槽根具有圓弧，基本符號採用 U 形槽焊；因為兩面均焊接，基準線上下各標一個 U 形槽符號。

2. 符號配置

概念圖如下：

核心觀念

粉末冶金（Powder Metallurgy）是將金屬粉末或金屬與非金屬粉末混合後，經過成形與燒結，製成所需形狀、尺寸及性能之零件的製造方法。典型製程包括粉末製造、混合、壓製成形、燒結，以及必要時的後加工。

燒結是將成形粉末加熱至低於主要金屬熔點的溫度，使粉末顆粒間形成結合，提升零件強度與整體性；部分製程也會搭配浸滲、整形或熱處理，以改善性能或尺寸精度。

解題方法

本題是製程概念題，作答時先用「粉末原料—成形—燒結—製成零件」說明定義，再從製程特性整理優缺點。優點可由材料利用率、量產與形狀設計說明；缺點則從模具成本、成形限制、孔隙與粉末成本說明。

優點

1. 材料利用率高、切削量少：粉末可直接壓製成接近成品形狀，材料浪費與後續加工量較少。
2. 適合大量生產：成形與燒結流程容易標準化，適合製造尺寸一致的批量零件。
3. 可製造複雜形狀及精密零件：能藉由模具成形出其他加工方式較不易製作的形狀，並具有良好的尺寸重複性。
4. 可控制材料組成與孔隙：可混合不同金屬或加入非金屬材料；也可製成具有連通孔隙的含油軸承、過濾元件等。
5. 適用於高熔點材料：對熔點高、不易以一般熔鑄方式加工的材料，粉末冶金具有製造上的優勢。