109 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

本題考查切削加工中的切屑形成、切削熱來源，以及刀具破壞型態。作答時宜依「切屑分類—熱源位置—刀具失效機制」分項整理，並指出各類型的主要特徵。

解題方法

（一）切屑的型態

切屑依形成特徵通常分為四種：

1. 連續型切屑（continuous chip）：切屑呈帶狀或螺旋狀，切屑內部連續，常見於延性材料在適當切削條件下加工。
2. 積屑瘤型切屑（built-up-edge chip）：工件材料因高壓與摩擦黏附在刀尖，逐漸形成積屑瘤；積屑瘤可能週期性脫落，使加工表面粗糙度及尺寸精度變差。
3. 鋸齒狀切屑（serrated／segmented chip）：切屑呈週期性齒狀或分段狀，常見於高切削速度或難切削材料加工。
4. 不連續型切屑（discontinuous chip）：切屑由分離的小片或碎屑構成，常見於脆性材料，或切削條件使材料容易斷裂時。

（二）切削加工時的熱源

切削熱主要由三個區域的塑性變形與摩擦產生：

1. 第一剪切區：工件材料在剪切面附近發生塑性變形，是主要熱源之一。
2. 第二剪切區：切屑沿刀具前刀面流動時，切屑與刀具之間摩擦並伴隨塑性變形，產生大量熱。
3. 第三變形區：刀具後刀面與已加工表面摩擦，產生熱量；此處也會影響加工表面及刀具磨耗。

（三）切削刀具破壞型態

核心觀念

脫蠟鑄造法（investment casting，又稱失蠟法）是以可熔性蠟模形成鑄件型腔的精密鑄造法。先以蠟製作與鑄件形狀相同的模型，在蠟模外反覆敷上耐火材料形成殼模，再加熱熔除蠟料，將熔融金屬澆入殼模中；金屬凝固後敲除殼模，即可取出鑄件。

本法的關鍵在於：蠟模是一次性模型，耐火殼模是鑄型，脫除蠟模後留下的空腔就是鑄件形狀。

解題方法：程序與示意圖

作答時依「製作蠟模 → 組裝蠟樹 → 製作殼模 → 脫蠟與燒成 → 澆鑄 → 清殼與整修」的流程說明，並指出各階段材料或形狀如何轉換。

1. 製作蠟模

將蠟料加熱熔化，注入金屬模具中，冷卻後取出蠟模。蠟模外形與預定鑄件相同；若要補償金屬凝固收縮，模具尺寸須預留適當收縮量。

金屬模具注入蠟料
 ↓ 冷卻、取出
 [蠟模]

2. 組裝蠟樹

將多個蠟模接合於蠟製主流道與澆口系統，形成蠟樹。主流道、橫流道及內澆口提供熔湯流動路徑，並可一次澆鑄多個鑄件。

 蠟製澆口杯
 │
 主流道（蠟）
 ├──┴──┐
 蠟模 蠟模
 │ │
 蠟模 蠟模

3. 製作耐火殼模

將蠟樹浸入耐火漿料，再撒覆耐火砂或耐火粒料；待每層乾燥硬化後，重複浸漿、撒砂與乾燥，直到殼模具有足夠厚度與強度。最外層通常加厚，以承受澆鑄時的熱與金屬壓力。

耐火漿料浸掛、撒砂、乾燥，重複數次
 ↓
 ┌────────────┐
 │ 耐火殼包覆蠟樹 │
 └────────────┘

4. 脫蠟與殼模燒成

將殼模加熱，使蠟料熔化並由澆口排出，形成鑄件型腔。再進一步燒成殼模，以除去殘蠟與水分、提升殼模強度；澆鑄前常將殼模預熱，以減少熔湯急速冷卻並改善充填。

加熱殼模
 ↓ 蠟熔出、排除
┌────────────┐
│ 空腔＝鑄件形狀 │
└────────────┘

5. 澆鑄

將熔融金屬由澆口杯注入，經主流道及內澆口流入各鑄件型腔，並保持殼模完整，直到金屬凝固。

核心觀念

彈回（springback）是板材彎曲成形後，移除沖頭與模具的外力，板材內仍保有的彈性應變恢復所造成的形狀變化。彎曲過程中，板厚方向的應變並不相同：外側受拉、內側受壓，靠近中性層的區域變形較小。超過降伏的部分產生永久塑性變形；未降伏的部分則在卸載時回復，因而使彎曲件角度與半徑改變。

彎曲件卸載後通常呈現：

• 彎曲角變小：若彎曲角定義為板材由平板狀態轉過的角度，卸載後角度會減小，稱為角度回彈。
• 夾角變大：若量測的是兩翼板之間的內夾角，卸載後內夾角會增大。
• 彎曲半徑變大：卸載後曲率下降，內側彎曲半徑通常增加。

因此，彈回是彈塑性卸載造成的幾何尺寸變化，不是材料完全恢復原狀；彎曲區仍保有塑性變形。

解題方法

本題要求說明「影響彈回量的因素與效應」，可先由彈回的成因切入，再按材料性質、板材與彎曲幾何、製程條件三類整理因素，最後說明對成品尺寸及製程的影響。

常用的趨勢判斷，可由材料降伏強度 $\sigma_y$、彈性模數 $E$、板厚 $t$ 與彎曲半徑 $R$ 的關係理解。對相同彎曲幾何而言，彈回量大致隨 $\sigma_y/E$ 及 $R/t$ 增大而增加。簡化模型常以無因次參數

表示材料與幾何條件對彈回的影響；$x$ 越大，通常代表彈性回復相對明顯。彈回量仍會受材料加工硬化、板厚方向應力分布與實際模具條件影響，不能只靠單一參數精確決定。

影響彈回量的因素

一、材料性質

1. 降伏強度 $\sigma_y$ 降伏強度越高，材料在彎曲時需要承受較大的應力才會產生塑性變形；卸載時，彈性應變回復所造成的形狀變化通常較大。因此，高強度鋼板一般比低碳鋼板更需要考慮彈回補償。

2. 彈性模數 $E$ 在其他條件相同時，$E$ 越低，材料承受應力時的彈性應變越大，卸載後回復量也越大。材料彈性模數較高時，彈回通常較小。

3. 加工硬化特性 材料在塑性變形後若加工硬化明顯，流動應力及板厚方向的應力分布會改變，彈性回復與殘留應力也會隨之改變。實際上，加工硬化程度、成形歷程與材料模型都會影響彈回量。

4. 材料方向性與組織差異 軋延板材沿軋延方向與橫向的力學性質可能不同；不同方向彎曲時，彎曲負荷、塑性變形及卸載回復也可能不同。板材強度或厚度不均，亦會造成各處彈回不一致。

二、板材與彎曲幾何

1. 彎曲半徑與板厚比 $R/t$ 在板厚固定時，彎曲半徑越大，彎曲變形較分散，塑性變形相對減少，彈性回復的影響通常較明顯，彈回量增加。反之，較小的 $R/t$ 通常使塑性變形較集中，彈回相對較小，但仍須兼顧材料的最小彎曲半徑及裂紋風險。

2. 板厚 $t$ 在彎曲半徑固定時，板厚增加會使 $R/t$ 降低，彈回通常減小；若保持 $R/t$ 不變，則不能單以板厚判斷彈回量。作答時應說明比較條件，避免直接寫成「板越厚，彈回一定越大」或「一定越小」。

核心觀念

本題考查電弧銲接中電極是否熔化並成為銲縫金屬，以及銲渣對銲池的保護作用與多道銲接的操作要領。

• 消耗式電極會熔化，電極金屬以銲滴形式進入銲池，成為銲縫的一部分。
• 非消耗式電極在銲接過程中主要負責導電、產生電弧；電極本身不作為銲縫填料金屬，必要時另加填料金屬。

解題方法

比較兩種方式時，從「電極是否熔化、填料金屬來源、保護方式與銲接特性」切入；再以常見製程舉例。銲渣部分則分別說明其在銲接過程中的保護功能，以及多道銲接時避免夾渣、未熔合等缺陷的操作要求。

（一）消耗式與非消耗式電極電弧銲接

實際案例

1. 消耗式：被覆金屬電弧銲接（SMAW，手工電弧銲） 被覆銲條的金屬芯線熔化後進入銲池，藥皮燃燒或分解所形成的氣體與銲渣則協助保護銲池。

核心觀念

本題考查鋼製傳動軸的兩種表面硬化方式及其熱處理程序：

• 固體滲碳是化學熱處理。將低碳鋼置於含碳的固體滲碳劑中加熱，使碳原子由表面擴散進入鋼材，再淬火形成硬化表層。硬化層的深度與滲碳溫度、保溫時間及鋼材成分有關。
• 高週波表面硬化是局部加熱後淬火的熱處理。利用高週波感應電流在工件表層產生熱量，使表面奧氏體化，再迅速淬火形成硬化層；鋼材本身的碳含量並未藉此增加。

兩者皆可提高傳動軸表面硬度與耐磨性，同時保留較具韌性的心部。主要差異在於：滲碳是「先改變表面含碳量，再淬火」；高週波硬化是「快速加熱既有表層，再淬火」。

解題方法：固體滲碳表面硬化

依「裝箱與隔絕氧氣 → 高溫滲碳與碳擴散 → 淬火硬化 → 低溫回火」說明操作程序：

1. 工件前處理與裝箱 清潔鋼軸表面後，將工件放入耐熱滲碳箱，周圍填滿固體滲碳劑，常見材料包括木炭或焦炭，並可加入促進滲碳的添加劑。密封箱體，以減少氧化並維持滲碳氣氛。

2. 加熱與滲碳保溫 將滲碳箱加熱至奧氏體區的高溫，通常約為 $900\sim950^\circ\mathrm{C}$，並依所需硬化層深度保溫。滲碳劑受熱後產生含碳氣氛，碳原子先進入工件表面，再由表面向內擴散，使表層含碳量增加。保溫時間愈長，滲碳層通常愈深。

3. 冷卻及淬火 滲碳完成後取出工件，依鋼種與製程要求直接淬火，或先冷卻再重新加熱至適當淬火溫度後淬火。淬火使富碳表層轉變為高硬度馬氏體；心部因含碳量較低，仍保有較佳韌性。

4. 低溫回火與後處理 淬火後進行低溫回火，以降低淬火應力與脆性，並提升尺寸穩定性。必要時再矯直或研磨至成品尺寸。

**程序概括：**清潔裝箱、填入滲碳劑並密封 → 高溫保溫滲碳 → 淬火 → 低溫回火。

解題方法：高週波表面硬化

依「感應加熱表層 → 達到奧氏體化 → 立即淬火 → 回火」說明操作程序：