111 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

深引伸是鈑金塑性成形法之一，將平板圓形胚料（blank）置於凹模上，由凸模（punch）向下推壓，使胚料中央部分進入凹模，形成杯狀或其他凹型中空工件。材料主要由凸模周圍的法蘭區流入凹模，並非單純把平板彎成形狀。

解題方法

說明本製程時，可依「設備與動作、材料流動、應力狀態、成形控制、適用範圍」的順序作答：

1. **設備與動作：**胚料放在凹模上，壓料板（blank holder）以適當力量壓住胚料；凸模下行，將胚料拉入凹模中。凹模圓角與凸模圓角提供材料轉向及流動所需的曲面。
2. **材料流動：**法蘭區的材料向中心流動並進入凹模，成為杯壁；胚料中央部分則形成杯底。若所需深度較大，常須經多次引伸，並配合中間退火以恢復材料延性。
3. **應力與成形控制：**法蘭區受到徑向拉伸與周向壓縮，可能因周向壓縮而起皺；杯壁承受拉伸，凸模圓角附近則容易因拉應力集中而變薄或破裂。壓料力、模具圓角、潤滑與凸模行程須適當配合，以控制材料流動。

核心觀念

砂模鑄造缺陷可從氣體、凝固收縮、充填與模砂狀態等原因分類。作答時，每種缺陷都要交代兩件事：形成原因與預防方法。預防的原則是改善模砂與排氣、控制澆注與凝固、並妥善設計鑄模及澆注系統。

解題方法

題目沒有指定缺陷種類，列舉四種常見缺陷並分別說明成因與預防即可。可選擇成因與改善方式容易對應的項目作答：

核心觀念

本題考粉末冶金在多孔性機件上的應用。自潤性軸承或齒輪常以粉末冶金製造：將金屬粉末壓製、燒結成形，再利用材料內部相連的孔隙含浸潤滑油。運轉時，油受熱膨脹或受離心力作用而滲至表面，停機冷卻後又可回吸至孔隙，因此具有自潤效果。

題目所稱「硬質合金」是製造材料；「自潤性」則來自燒結件的多孔結構與含浸潤滑油，兩者共同決定產品性能。

解題方法

作答時抓住「粉末冶金成形＋保留孔隙＋真空含油」這條製程主線，並說明孔隙如何形成自潤效果及批量生產的經濟性。

典型生產步驟如下：

1. 製粉與配料：將硬質合金所需粉末按成分比例配製，混合均勻；視需要加入潤滑劑或成形添加劑。
2. 模壓成形：將混合粉末裝入模具，以壓力壓製成軸承或齒輪的近淨形毛胚。
3. 脫脂與燒結：依材料需要除去成形添加劑，再於受控氣氛中加熱，使粉末顆粒間形成冶金結合。燒結條件須兼顧強度與孔隙率，避免孔隙完全消失。
4. 尺寸與表面處理：依精度要求進行整形、校正或必要的後加工。

核心觀念

積屑刃口（built-up edge, BUE）是切削時，工件材料因高壓、高溫與摩擦而黏附、堆積在刀具前刀面靠近刀尖處，形成類似刃口的材料層。它會暫時代替刀具切削，並隨切削持續生成、長大、破裂或脫落。

BUE 常見於切削延性材料時，尤其在切削速度偏低、刀具前角較小、刀具表面摩擦較大或潤滑不足的情況下。

形成原因

切屑沿前刀面流動時，刀具與切屑接觸區承受很大的壓力與摩擦。工件材料的局部表層因此發生強烈塑性變形，並黏著在前刀面上。新材料持續附著、壓實後逐漸形成積屑刃口；當其剪應力超過附著強度時，積屑刃口便會破裂或脫落，部分碎片可能黏在工件表面。

因此，BUE 的形成可概括為：高壓接觸、摩擦與材料黏著，加上局部塑性變形，使工件材料堆積於刀具刃口附近。

防止積屑刃口的方法

1. 提高切削速度：縮短切屑與前刀面的接觸作用時間，通常可減少材料黏著，使 BUE 不易形成。
2. 選用較大的刀具前角：降低切削變形與切削力，減少刀具與切屑間的壓力及摩擦。

核心觀念

電化學切削（ECM）是利用電解作用去除導電工件材料的非傳統加工法。加工時，工件接直流電源正極，作為陽極；成形工具接負極，作為陰極。工件表層金屬原子因陽極溶解而成為金屬離子，隨電解液流出，工具形狀則轉印至工件上。

ECM 不靠刀具與工件直接接觸，也不以切削力破壞材料；加工去除量主要受電流、電解時間、材料電化學當量及電流效率影響。其原理可用法拉第電解定律表示：

其中 $m$ 為溶解材料質量、$\eta$ 為電流效率、$M$ 為材料原子量、$I$ 為電流、$t$ 為加工時間、$n$ 為每個原子溶解時交換的電子數，$F$ 為法拉第常數。

加工原理與示意圖

 直流電源
 (+) (−)
 │ │
 工件／陽極 成形工具／陰極
 ┌──────┐ ┌──────────┐
 │ │ │ │
 │ │←加工間隙→│ 工具端面 │
 └──┬───┘ └────┬─────┘
 │ 電解液高速流動 │
 └──────→─────────┘
 金屬溶解並隨電解液排出

加工時，工具與工件保持狹小間隙，電解液以高流速通過間隙。直流電流經電解液形成導電迴路，使工件陽極表面的金屬發生氧化溶解：

溶出的金屬離子由電解液帶走；工具為陰極，主要發生還原反應。工具依預定形狀進給，控制加工間隙，工件表面遂形成與工具端面相對應的形狀。加工過程中，電解液也負責帶走反應產物與熱量，避免間隙內產物累積而影響加工穩定性。

解題方法