108 鐵路特考員級 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

FMS 是「彈性製造系統」（Flexible Manufacturing System）的簡稱，指以電腦控制為核心，將數值控制工具機、工件搬運與儲存設備等整合起來，使一組設備能依排程加工多種工件的製造系統。其重點在於：產品種類或加工順序改變時，系統可透過程式、排程與物流控制調整生產，減少停機換線時間。

本題要求說明三件事：FMS 的適用情境、系統特色，以及主要硬體單元。作答時可依「應用—特色—硬體」三部分整理。

解題方法

先從生產型態判斷 FMS 的主要用途：它最適合產品種類多、單一品項產量中低、但各工件可歸為相似工件族的生產情境；再由「設備、搬運、電腦控制」三個基本組成說明硬體，並補充常見輔助設備。

主要應用

FMS 常用於下列製造情境：

• 多樣少量或中量生產：多種產品共用一組製造設備，適合市場需求多變、產品批量不大的情況。
• 工件族生產：將形狀、尺寸或加工程序相近的零件歸為一族，在同一系統中輪流加工。
• 機械加工與相關製程：例如汽車零件、機械零件及航空零件的加工；系統也可延伸應用於彈性組裝。
• 需要快速切換產品的生產：產品或批次改變時，利用更換程式、刀具、夾具或調整排程完成轉換，減少重新配置整條生產線的時間。

主要特色

1. 產品彈性：能在一定範圍內加工多種不同工件，尤其適合工件族生產。
2. 路徑彈性：工件可依設備狀況與排程，選擇不同機台或加工路徑。
3. 設備利用率較高：透過自動排程與設備協調，減少待料、待機與換線時間。
4. 自動化程度高：加工、工件搬運、儲存及部分檢測可自動進行，降低人工搬運與直接操作的需求。
5. 生產控制整合：中央電腦協調加工程序、工件流向、設備排程及刀具管理，使各設備能作為整體運作。
6. 兼具多樣性與生產效率：在產品變化較多時，仍可維持連續且有計畫的生產。

【核心觀念】

離心鑄造是使鑄模旋轉，利用離心力將熔融金屬推向鑄模外側，使金屬液充填並凝固成形。離心加速度為

其中 $\omega$ 為角速度，$r$ 為距旋轉軸的距離。離心加速度隨半徑增加，金屬液因而受到向外的作用；氣體、熔渣等雜質則容易聚集在鑄件內側。

本題要掌握三種方法的區別：真離心鑄造製作中空軸對稱件，半離心鑄造製作實心軸對稱件，離心力鑄造則以中央澆道供應周圍的多個型腔。

【解題方法】

先說明旋轉鑄模如何使金屬液向外流動，再依鑄件形狀與型腔配置分述三種方法，並各舉典型用途。液態金屬在半徑 $r_1$ 至 $r_2$ 之間所受的離心壓力差可表示為

其中 $\rho$ 為金屬液密度。這股壓力有助於金屬液充填鑄模，並使鑄件較緻密。

【三種離心鑄造方法及其應用】

一、真離心鑄造（True centrifugal casting）

將熔融金屬澆入高速旋轉的圓筒形或環形鑄模，金屬液受離心力作用貼附於鑄模內壁，凝固後形成中空的軸對稱鑄件。內孔由金屬液的自由液面形成，通常不需砂心。氣體、熔渣或較輕雜質容易集中於內側，因此內表面常需加工去除。

核心觀念

本題考查擠製的兩種基本方式。兩者都以沖頭對金屬胚料施加壓力，使材料產生塑性流動，通過模孔後形成所需截面；主要差異在於胚料流動方向與沖頭運動方向的關係，以及模具與胚料間是否有相對滑動。

解題方法

先比較金屬流動方向與沖頭運動方向，再由胚料是否沿容器壁滑動，判斷摩擦大小。摩擦會影響擠製力、工具負荷與產品長度，因此也是比較兩種方法優缺點的關鍵。

直接擠製（Direct Extrusion）

製程時，將金屬胚料置於擠製筒內，沖頭向前推壓胚料，使金屬通過前方模具的模孔流出。金屬流動方向與沖頭運動方向相同。胚料會沿擠製筒內壁滑動，因此筒壁與胚料間存在摩擦。

• 優點：​設備與模具構造較簡單，適用材料與產品範圍廣，也容易製作多種截面形狀。
• 缺點：​胚料與擠製筒間的摩擦較大，所需擠製力較高，且材料流動與變形較不均勻；擠製力會隨製程變化。胚料尾端常因氧化物或表面污染而留下尾料，不能完全擠出。

間接擠製（Indirect Extrusion）

核心觀念

本題考查氧乙炔焊的火焰組成，以及依氧氣與乙炔的混合比例所形成的三種火焰：中性焰、碳化焰（還原焰）與氧化焰。判斷重點是火焰中氧氣、乙炔的相對比例，以及火焰對工件造成的增碳或氧化作用。

火焰結構

氧乙炔焊火焰由內向外可分為三部分：

1. 焰心（內焰心）：靠近焊炬噴嘴的明亮錐形區域，主要是乙炔與氧氣混合後燃燒形成的初級燃燒區。
2. 還原區（中間區）：位於焰心外圍，含有一氧化碳與氫等還原性氣體，具有還原作用；焊接時常以此區附近作為主要加熱區。
3. 外焰（外層火焰）：氣體與周圍空氣中的氧進一步燃燒形成的區域，火焰溫度較低，範圍較大。

三種成分比例火焰及適用材料

核心觀念

本題比較超大型積體電路（VLSI）薄膜製程中的物理氣相蒸鍍（PVD）與化學氣相蒸鍍（CVD）。兩者的主要差別在於薄膜材料如何到達並形成於基板表面：

• PVD：將固態蒸鍍材料以物理方式汽化，再輸送至基板並凝結成膜；材料的化學組成大致不變。
• CVD：將含有薄膜成分的反應氣體導入反應室，利用基板表面或氣相中的化學反應生成固態薄膜，並排出副產物。

解題方法

作答時可依序比較「成膜原理、製程方式、薄膜覆蓋能力、設備與製程條件、適用材料」，再整理各自的優缺點。核心判別是：PVD 靠材料汽化、傳輸與凝結；CVD 靠反應氣體發生化學反應。

PVD：物理氣相蒸鍍

製程原理與方式

在真空或低壓環境中，將固態靶材汽化，使蒸氣或粒子移動至基板表面，凝結形成薄膜。常見方式包括：

1. 真空蒸鍍：以電阻加熱或電子束加熱使蒸鍍材料熔化、汽化，再於基板上凝結。
2. 濺鍍：以電漿中的離子轟擊靶材，使靶材原子逸出並沉積於基板；可用於金屬、合金及部分化合物薄膜。

優點

• 製程通常不需仰賴複雜的表面化學反應，薄膜純度高。
• 基板溫度通常較低，適合部分對熱敏感的基板與材料。
• 可製作金屬、合金及部分化合物薄膜，濺鍍的靶材組成也較容易控制。
• 製程原理直觀，膜厚與沉積速率可藉由蒸鍍或濺鍍條件調整。

缺點

• 粒子傳輸具有方向性，遇到深孔、窄溝槽或高深寬比結構時，側壁與底部的覆蓋性較差。
• 真空設備與靶材成本較高，靶材利用率及沉積效率受設備設計影響。
• 某些材料不易以蒸鍍方式汽化；濺鍍製程也可能造成基板受粒子轟擊或受熱。
• 大面積基板的膜厚均勻性需要妥善控制蒸鍍源、靶材與基板配置。

CVD：化學氣相蒸鍍

製程原理與方式

將反應氣體導入反應室，氣體在基板表面吸附並進行化學反應，生成固態薄膜；未反應氣體與反應副產物則由排氣系統移除。依反應溫度、壓力與設備型式，常見方式包括常壓 CVD、低壓 CVD（LPCVD）及電漿輔助 CVD（PECVD）。