110 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

本題考查英制統一螺紋與公制螺紋的標記方式，以及攻牙前底孔鑽頭直徑的估算。

• 英制螺紋以公稱直徑、每英吋牙數及螺紋系列表示；$3/8$–16UNC 中，$3/8$ 表示公稱直徑為 $3/8$ 英吋，$16$ 表示每英吋有 16 牙，UNC 表示統一粗牙系列。
• 公制螺紋以公稱直徑與螺距表示；M4 × 0.5 中，M 表示公制螺紋，4 表示公稱直徑為 4 mm，0.5 表示螺距為 0.5 mm。
• 攻牙底孔直徑可用下列公式估算：

此為常用選鑽估算法，英制螺紋須先將每英吋牙數換算成螺距。

解題方法

(一) 解讀螺紋標記

對 $3/8$–16UNC：

• 公稱直徑：$3/8$ 英吋
• 每英吋牙數：16 TPI
• 螺紋系列：UNC，統一粗牙

對 M4 × 0.5：

• 螺紋種類：公制螺紋
• 公稱直徑：4 mm
• 螺距：0.5 mm

(二) 計算攻牙底孔鑽頭直徑

1. $3/8$–16UNC

先將公稱直徑換算為毫米：

每英吋 16 牙，故螺距為：

核心觀念

二氧化碳造模法（CO₂ process）是以矽砂為骨材、水玻璃（矽酸鈉）為黏結劑的化學硬化砂模法。砂型或砂心成形後，通入二氧化碳，使矽酸鈉產生反應並形成矽膠，將砂粒黏結、硬化。

常用反應式如下：

實際水玻璃是含水的矽酸鈉溶液，生成的二氧化矽以矽膠形態析出，形成砂粒間的黏結膜。CO₂ 的作用是使水玻璃硬化，並非直接把砂粒黏在一起。

解題方法：依製程先後說明

1. **調製砂料：**將適量水玻璃加入乾燥、清潔的矽砂中，充分混合，使黏結劑均勻分布於砂粒表面。
2. **填砂造模：**把混合砂填入砂箱或砂心盒，依模型形狀舂實或吹砂成形，並設置必要的排氣通道。
3. **通入 CO₂：**砂型成形後，由氣孔或通氣裝置將 CO₂ 通入砂中，使氣體穿過砂層並與水玻璃反應。

核心觀念

本題考查氧乙炔火焰的調整與氧乙炔切割鋼板的基本程序。

氧乙炔火焰依氧氣與乙炔的混合比例，分為中性焰、碳化焰（還原焰）及氧化焰。氧乙炔切割鋼板時，預熱火焰先使鋼材達到燃燒溫度，再以純氧射流使鋼材氧化；氧化生成的熔渣由氧流吹除，形成切口。

解題方法

先按「氧氣與乙炔的相對量、火焰外觀、金屬作用」說明三種火焰；再依切割流程，依序交代設備與工件準備、點火調焰、預熱、開啟切割氧、移動割炬及收尾。

（一）三種氧乙炔火焰的調整方法

1. 中性焰：先點燃乙炔，再逐漸加入氧氣，調整到內焰錐清晰、沒有乙炔羽狀延伸，外焰穩定，即為中性焰。其氧氣與乙炔大致平衡，適合一般鋼材的加熱與切割預熱。
2. 碳化焰（還原焰）：由中性焰減少氧氣，或增加乙炔，使乙炔過量。外觀可見內焰錐外側有白色羽狀乙炔羽，火焰具有較強的還原性；使用時須避免碳進入工件而造成增碳。
3. 氧化焰：由中性焰增加氧氣，使氧氣過量。內焰錐變短而尖銳，火焰聲音較尖。氧化焰氧化性較強，常用於需要較強氧化作用的加工；一般鋼板切割的預熱火焰通常調成中性焰。

（二）利用氧乙炔火焰切割鋼板的操作程序

1. 準備工件與設備：清除切割線附近的鏽、油污及塗層，將鋼板穩固架高，使切縫下方留有空間供熔渣排出。依鋼板厚度選用適當割嘴，確認氧氣、乙炔供應及設備接頭狀況正常。
2. 調整割炬與火焰：按割炬操作程序點燃預熱火焰，調成穩定的中性焰。

核心觀念

本題考查螺紋的無切削成形。螺紋輥軋時，圓柱形胚料置於具有螺紋牙形的模具之間，模具對胚料施加壓力，使材料產生塑性流動，填入模面上的牙形凹槽，形成螺紋。材料主要重新分布而非切除，因此不會產生切屑。

輥軋胚料直徑通常依螺紋的節徑選定；胚料在模具間滾動時，模面牙形逐漸壓入材料，並將材料推向牙頂。兩種常見方法是平模輥軋與滾模輥軋，主要差異在模具形狀與胚料的運動方式。

解題方法

作答時先畫出模具與胚料的相對位置，再依序交代裝料、模具運動、材料變形及成品取出。圖中應標示螺紋牙形模面、胚料、運動方向，以及固定模或旋轉模。

一、平模輥軋螺紋

平模輥軋使用一對長條形平模。兩模相對面加工有螺旋牙形，其中一模固定，另一模作直線往復運動。胚料置於兩模之間，隨活動模的推動而滾動，並逐步受壓成形。

 活動平模：直線移動 →
 ┌──────────────────────────┐
 │ ／／／／／／／／／／／／ │ 螺紋牙形
 └──────────────────────────┘
 ○ 胚料滾動 →
 ┌──────────────────────────┐
 │ ／／／／／／／／／／／／ │ 螺紋牙形
 └──────────────────────────┘
 固定平模

程序如下：

1. 將圓柱胚料放入兩平模的入口位置，使胚料軸線與模具牙形方向相符。
2. 活動平模向前移動，胚料受到模面摩擦帶動，在兩模之間滾動。
3. 模面牙形逐漸壓入胚料表面，材料受壓後向牙頂方向流動，螺紋牙形逐步形成。
4. 胚料滾過模具工作區後，完整螺紋成形；成品由模具出口排出，活動模返回，進行下一循環。

平模法適合大量生產外螺紋，設備構造較簡單，且每一行程可完成一件或多件工件的螺紋成形。

核心觀念

感應硬化是利用電磁感應使鋼件表層迅速升溫，再立即淬火的表面熱處理法。碳鋼表面經快速加熱至奧氏體化溫度並淬火後，形成高硬度馬氏體層；心部因加熱時間短、溫度較低，仍保有較好的韌性。

加熱時，工件置於感應線圈內，線圈通入高頻或中頻交流電，產生交變磁場。交變磁場在工件表層感生渦電流，渦電流因工件電阻而產生焦耳熱，使表面快速升溫。高頻電流集中於工件表層的現象稱為集膚效應；頻率越高，加熱深度通常越淺。因此，感應頻率、功率、加熱時間及線圈設計會影響硬化層深度與均勻性。

加熱原理示意圖

 高頻／中頻交流電
 ~ ~
 ┌────────────┐
 │ 感應線圈 │
 │ )))))) │
 │ ) ( │
 └──)──────(──┘
 ↓ 交變磁場
 ┌──────────────────┐
 │ 工件表層：感生渦電流 │ ← 焦耳熱，快速升溫
 │██████████████████│ ← 奧氏體化後淬硬層
 │ │
 │ 工件心部 │ ← 溫度較低，保留韌性
 └──────────────────┘
 ↓
 線圈噴水或另行淬火

感應加熱主要依靠渦電流產生的電阻熱；鋼材在低於居里點時也有磁滯損失，但實際感應硬化的主要熱源是渦電流。表面加熱到適當的奧氏體化溫度後，立即淬火，使表層轉變為馬氏體。亞共析碳鋼通常需加熱至 $A_{c3}$ 以上；共析鋼及過共析鋼則依材料成分與製程要求，控制在適當的臨界溫度以上，以確保表面充分奧氏體化。

操作程序

1. 選擇工件與製程條件 確認碳鋼成分、工件形狀及所需硬化位置與深度，選定線圈形狀、線圈與工件間隙、電源頻率及加熱功率。需硬化區域可採局部線圈設計。