112 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

本題考查切削時工件材料的加工硬化、切削刀具材料的選用條件，以及工件材料「切削性」的判斷指標。

切削過程中，刀具使工件材料在剪切區產生劇烈塑性變形，形成切屑；切屑和刀具前刀面之間也有摩擦。因此，刀具必須能在高溫、高壓和摩擦作用下維持切削刃的形狀與性能。工件材料的切削性，則可從切削力、刀具壽命、表面品質及切屑處理等方面評估。

解題方法

依三小題分別掌握：

1. 比較切屑與工件硬度時，判斷切屑是否經歷塑性變形及加工硬化。
2. 刀具材料特性以「高硬度、耐熱、耐磨、抗破損」為主，再補充熱性質、化學穩定性及製造經濟性。
3. 切削性佳，代表材料容易切除，且切削結果容易控制；可用低切削力、長刀具壽命、良好表面品質、切屑易處理等指標說明。

（一）切屑與原工件的硬度比較

切屑硬度通常較高。

切削時，刀具前方的材料先受到擠壓，隨後在剪切區產生強烈塑性變形而形成切屑。鋼材經塑性變形後，位錯密度增加，材料發生加工硬化，因此切屑硬度通常高於尚未切削的原工件材料。

切屑與刀具前刀面接觸時的摩擦，也會使切屑受力及升溫；切削熱會影響局部材料性質，但一般鋼材切削的基本判斷仍是：切屑因塑性變形與加工硬化而較硬。

（二）刀具材料應具備的特性

刀具材料須能抵抗切削中的高溫、壓力、摩擦及衝擊，主要特性如下：

1. 高硬度及高溫硬度：常溫下須比工件硬；切削溫度升高後，仍須保持足夠硬度，避免刀刃軟化。高溫下維持硬度的能力亦稱紅硬性。
2. 高耐磨性：抵抗前刀面與切屑、後刀面與工件之間的摩擦磨耗，延長刀具壽命。
3. 足夠的強度與韌性：抵抗切削力、振動與斷續切削造成的崩刃、裂損或折斷。硬度與韌性須取得適當平衡。
4. 良好的熱穩定性及抗熱衝擊性：承受切削熱及溫度變化，降低熱裂與熱疲勞破損。
5. 良好的熱傳導性：有助於傳散切削熱，降低刀尖局部過熱。

核心觀念

本題考查鑄鐵中碳的存在狀態，以及石墨形狀對機械性質的影響。鑄鐵可依凝固後碳主要形成為石墨或**碳化物（如滲碳體）**分類；若有石墨，再依石墨的形狀區分。石墨會中斷金屬基體的連續性，形狀越尖銳、越具缺口效應，對強度與韌性越不利；石墨則能吸收振動能量，使鑄鐵具有良好的制震能力。

解題方法

先判斷是否有石墨，再辨識石墨形狀，最後比較石墨對基體的削弱程度與振動吸收能力：

1. 無石墨：白口鑄鐵 碳主要以碳化物存在，斷面呈白亮色。碳化物硬而脆，因此白口鑄鐵硬度高、耐磨性佳，但脆性大、加工困難；因缺少石墨，制震能力較差。

2. 有石墨：依形狀分為下列種類

• 灰口鑄鐵（片狀石墨）：石墨呈片狀，尖端有明顯應力集中，抗拉強度與韌性較低；硬度通常低於白口鑄鐵。片狀石墨能有效吸收振動，因此制震能力佳。
• 球墨鑄鐵（球狀石墨）：石墨呈球狀，應力集中較小，基體連續性較佳；相較灰口鑄鐵，抗拉強度、延性與韌性明顯提高。硬度依基體組織而定，通常不以「一定高於灰口鑄鐵」作為分類判準；制震能力通常低於灰口鑄鐵。
• 可鍛鑄鐵（團絮狀石墨）：由白口鑄鐵經退火處理，使碳化物分解形成團絮狀回火碳。其應力集中程度介於片狀與球狀石墨之間，強度與韌性高於一般灰口鑄鐵；制震能力通常不如灰口鑄鐵。
• 蠕墨鑄鐵（蠕蟲狀石墨）：石墨呈短粗、互相連結的蠕蟲狀，性質介於灰口鑄鐵與球墨鑄鐵之間；強度與延性通常高於灰口鑄鐵而低於球墨鑄鐵，制震能力也通常介於兩者之間。

性質比較

核心觀念

本題比較兩種銲接的熱源與接合機制，並要求說明其適用元件。

• 超音波銲接：以高頻機械振動配合加壓，使接合面反覆摩擦、破除表面氧化膜與污染物，並產生局部熱與塑性變形，使材料在固態下形成接合；通常不需熔化母材，也不需填料。
• 傳統電弧銲接：以電極與工件間的電弧放電產生高熱，使接合區母材熔化，形成熔池；熔池凝固後完成接合，視銲接方法與接頭需求可加入填料金屬。

解題方法

先從「能量來源」與「母材是否熔化」切入，再對照常見工件的尺寸與材料特性：

1. 超音波銲接靠機械振動與壓力，接合區以固態接合為主，適合薄、輕、小型零件，尤其是薄金屬片、箔材與電氣接點。
2. 電弧銲接靠電弧熱使母材熔化，能形成熔融銲道，適合需要較高接合強度或較厚工件的結構件，例如板材、鋼構及管件。

適用元件比較

核心觀念

本題分別考查鍛造設備如何將動力傳給滑塊，以及鈑金模具如何安排工件在模具內的加工工序。作答時，鍛造機應比較「施力方式、行程與速度特性、適用情況」；鈑金模具則比較「各工序是否在同一工位完成、工件如何移動、適合的生產型態」。

（一）鍛造機的主要驅動方式及特性

鍛造機可依主要驅動方式分為機械式壓床、液壓式壓床、螺旋壓床及鍛錘。各類設備的動力傳遞方式不同，因此在壓力、速度、能量控制及生產效率上各有特性。

解題方法

先依設備的「動力如何轉成滑塊運動」分類，再比較其成形特性：

1. 飛輪加曲柄連桿：機械式壓床，重點是速度快、固定行程、適合大量生產。
2. 液壓缸直接推動：液壓式壓床，重點是壓力與速度可調、行程長、適合大型鍛件。
3. 螺旋機構帶動滑塊：螺旋壓床，重點是以能量進行鍛造，必要時可連續打擊。
4. 錘頭快速衝擊工件：鍛錘，重點是衝擊成形、適合多次打擊，但振動與噪音較大。

核心觀念

本題考查放電加工（Electrical Discharge Machining, EDM）的放電材料去除機制、單次放電的電壓與電流波形，以及脈衝間隔的作用。EDM 是利用工具電極與工件之間的脈衝放電，使工件表面局部熔化、汽化，再由工作液帶走加工碎屑；工具電極與工件不需直接接觸，因此適合加工導電材料及硬脆、難切削材料。

解題方法：材料去除原理

加工時，工具電極與工件浸在絕緣工作液中，兩者保持微小間隙，並接上脈衝電源。脈衝電壓建立電場後，間隙中的工作液局部游離，形成放電通道，產生短暫電弧或火花。

放電通道中的高溫使工件表面局部熔化、汽化；放電停止後，熔融材料受到氣泡膨脹與工作液冷卻等作用而排出，形成微小凹坑。多次脈衝放電在工件表面反覆作用，逐步形成所需形狀。工作液同時負責冷卻、絕緣恢復及沖走加工碎屑。

電壓與電流變動示意圖

以下以一般脈衝 EDM 的單次放電週期示意。電壓在放電前先升高；間隙擊穿後，間隙電壓下降而電流上升；放電終止後，電流降至零，再經脈衝間隔等待下一次放電。

核心觀念

量測誤差是量測結果與被測量真值之差。實務上真值通常無法直接得知，因此常以量測值與參考值之差，或以多次量測結果的統計特性來評估誤差。量測誤差常分為系統誤差、隨機誤差及粗大誤差；分類重點在於誤差是否有固定方向或規律、是否呈隨機散布，以及是否源自明顯的人為或操作失誤。

解題方法

本題要求說明「種類」及「主要成因」，可依各類誤差的特徵逐一列出，再配對其常見來源，避免只寫名稱而未交代原因。

1. 系統誤差（systematic error） 誤差在重複量測中呈現固定方向或可預測的規律，會使量測結果整體偏高或偏低。增加量測次數通常不能消除系統誤差，須找出來源並校正或修正。主要原因包括：

• 儀器誤差：儀器校正不良、零點偏移、刻度或比例因子錯誤、磨耗、回程間隙等。
• 環境誤差：溫度變化造成工件或量具熱膨脹，或受到濕度、振動、氣壓及電磁場等影響。
• 方法或安裝誤差：量測方法不適當、量具與工件未正確對準、測力造成工件變形，或支承方式不當。
• 人員或觀察誤差：視線與刻度未垂直而產生視差，或讀值習慣造成固定偏差。