109 高普考普通考試 機械工程 機械製造學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查立式銑床上，以螺旋齒面銑刀銑削鑄件底面時，**上銑（逆銑）與下銑（順銑）**的刀具旋轉方向、進給方向，以及切屑厚度、切削力和加工特性的差異。

判斷依據是刀刃在工件接觸點的切線速度方向與工件進給方向：

• 刀刃切線速度與進給方向相反，為上銑。
• 刀刃切線速度與進給方向相同，為下銑。

以下以刀具從上方加工工件底面、工作台沿水平方向進給為例。刀具的旋轉方向須配合所選銑削方式，使接觸點的切線速度符合上述定義；螺旋齒的旋向會影響軸向力方向，但不改變上銑、下銑的判別原則。

解題方法：依刀刃切入方向比較

設每齒進給量為 $f_z$，銑削時刀齒在切入與切出間的切屑厚度會隨位置改變。兩種方式的關鍵差別，是刀刃由薄切屑逐漸切厚，或由厚切屑逐漸切薄。

上銑法（逆銑）

刀具接觸點的切線速度與工件進給方向相反。刀齒由工件表面逐漸切入，切屑厚度由零增加至最大值：

刀齒初接觸時，切屑極薄，刀刃容易先在工件表面摩擦、擠壓，達到足夠切屑厚度後才開始有效剪切。切削力沿刀齒路徑逐漸增加；其水平分力有使工件離開刀具、抬起工件的趨勢。因此，工件與夾具須有良好固定，工作台進給機構的間隙也較不易造成突然竄動。

下銑法（順銑）

刀具接觸點的切線速度與工件進給方向相同。刀齒在切入時立即形成較厚切屑，切屑厚度由最大值逐漸減至零：

刀齒一開始便有效切削，切屑沿刀齒路徑逐漸變薄。切削力在切入時較大，之後隨切屑減薄而下降；其水平分力有助於將工件拉向刀具，垂直分力則通常使工件壓向工作台。若銑床進給機構有間隙，刀具可能拉動工作台或工件突然前進，因此下銑須配合消隙進給機構及牢固夾持。

切屑幾何與加工特性比較

核心觀念

本題考查低壓鑄造法（low-pressure die casting）的工作原理，以及它為何適合製造鋁合金輪圈。低壓鑄造是將熔融金屬置於密閉保溫爐中，以低壓氣體將金屬液經由升液管，平穩地推入上方的金屬鑄模；金屬液在模內凝固後，再解除壓力並取出鑄件。

鋁輪圈通常採用此法，主要是因為它能以較穩定的充填方式製成形狀複雜、品質要求高的鋁合金鑄件，並可在凝固過程中持續補充金屬液，降低縮孔、縮鬆等缺陷。

解題方法：依「充填、凝固、取件」說明製程

1. 熔解與保溫 將鋁合金熔解後，置於密閉保溫爐中。升液管下端浸在金屬液內，上端與鑄模的進湯口相通。

2. 加壓充填 對保溫爐液面上方通入低壓氣體，使爐內壓力略高於鑄模與升液管中的壓力。金屬液因此沿升液管向上，經模具底部或下方的進湯口平穩流入鑄模。

若以靜壓關係表示，金屬液上升高度 $h$ 所需的壓差約為：

$\Delta P \approx \rho g h$

其中 $\rho$ 為金屬液密度，$g$ 為重力加速度。實際操作時，還須考慮流動阻力及模內背壓，因此爐壓會依充填與凝固需求調整。

3. 保壓與凝固補縮 模腔充滿後維持適當壓力，使升液管中的金屬液持續補入鑄件，補償凝固時的體積收縮。鑄件凝固後，降低或解除爐內壓力，升液管中的金屬液回流或留在升液管內。

4. 開模取件與後續加工 待鑄件達到脫模條件後開模取出，再進行切除澆道、熱處理、機械加工及品質檢驗等作業。

製程特性

核心觀念

本題考查板金成形中的旋壓（spinning）與引伸（deep drawing）。兩者都可將圓形板胚製成圓筒形零件，但成形方式不同：旋壓靠工具局部、逐次壓迫板材；引伸則以沖頭將板胚壓入模穴，使材料由凸緣區流入模穴。

解題方法

比較兩種製程時，可依序說明「設備與工具、材料流動及成形方式、適用產品與生產特性」，並特別指出兩者在板厚變化、模具成本與產量上的差異。

一、旋壓的原理與特性

旋壓時，將圓形板胚固定在旋轉的心軸或模具上，工件隨主軸旋轉；旋輪或其他成形工具抵住板胚，沿預定路徑逐步進給，迫使板材貼合心軸外形，形成圓筒、錐形或其他軸對稱形狀。製程通常由板胚中心或一端開始，分次將材料推向外圍並逐步成形。

旋壓具有以下特性：

• 工具與板材接觸範圍小，屬於局部、漸進式成形；所需成形力通常較低。
• 心軸形狀決定工件內形，工具路徑與操作技巧會影響尺寸、表面品質及成形結果。
• 模具與設備成本較低，適合少量生產、大型工件或原型製作；更換心軸亦可改變產品形狀。
• 生產速度較慢，較依賴操作與製程控制，不適合要求極高產量的場合。
• 板厚變化視旋壓方式與操作條件而定；剪切旋壓等方式會使壁厚明顯減薄，傳統旋壓則較著重將板材推貼於心軸，不能一概而論為等厚成形。
• 工件通常須具旋轉對稱性；形狀不對稱或帶有複雜局部特徵者不易用此法製作。

二、引伸的原理與特性

引伸時，將圓形板胚置於凹模上，以壓料板限制凸緣區起皺，再由沖頭將板胚壓入凹模。材料由板胚周邊的凸緣區向模穴內流動，逐漸形成杯形或圓筒形零件；需要較深或較長的工件時，可安排多道引伸，並視材料與製程條件進行中間退火。

引伸具有以下特性：

核心觀念

電漿焊接（plasma arc welding, PAW）是以電弧加熱工件，使接合處熔融的熔焊法。其特徵是電弧通過焊槍內的細小噴嘴孔口時受到收縮，形成高溫、高速且能量密度高的電漿射流，因此熱源集中、熔深較大，且電弧穩定性佳。

焊槍內通常有鎢電極、噴嘴、保護氣體通道及冷卻構造。電極與噴嘴孔口之間的電弧使氣體電離成電漿；氣體受到噴嘴收縮與電弧熱作用後，以高速射流噴向工件。常用氣體包括氬、氦及其混合氣體。填料金屬可依接頭與焊道需求另行加入。

解題方法

本題要求說明電漿焊接原理，並比較兩種接線方式。作答時先交代電漿射流如何產生，再以「電弧是否接到工件」作為區分 transferred 與 nontransferred 的關鍵，最後比較熱源、工件是否構成電路、適用範圍與製程特性。

電漿焊接的電弧收縮效果主要來自三項作用：

1. 機械收縮：噴嘴孔口限制電弧的截面，使電弧柱變窄。
2. 熱收縮：電弧周圍氣體受到冷卻，電弧外圍的導電性降低，電流集中於中央。
3. 磁收縮：電弧電流產生的磁場使電弧柱受到向內壓縮的作用。

收縮後的電弧具有較高能量密度，能以電漿射流穩定加熱工件。噴嘴通常採水冷，以承受集中熱負荷。

傳導式與非傳導式比較

核心觀念

積層製造（additive manufacturing，AM）是依三維數位模型，將材料以逐層方式堆積、固化或接合，製成實體零件的製造方法。一般流程為：建立 CAD 三維模型、轉換為 STL 等三角網格格式、設定列印方向與支撐、切片成多個二維截面，再依各層輪廓逐層成形並堆疊完成。

積層製造與傳統切削加工的材料使用方式不同：切削加工由材料移除形成形狀；積層製造則依零件截面逐層增加材料。其優點是可製作複雜幾何形狀、減少材料浪費，且通常不需專用模具；限制則包括成形速度、尺寸精度、表面粗糙度、材料選擇及後處理需求。

解題方法：以選擇性雷射燒結說明製程

選擇性雷射燒結（selective laser sintering，SLS）是粉床式積層製造方法。考題作答時，應按「數位模型與切片、粉末鋪層、雷射掃描燒結、平台下降與重複鋪粉、完成與後處理」的順序，說明材料如何逐層形成零件。

1. 模型與切片：建立零件三維模型，轉換成可供設備讀取的檔案，設定成形方向及層厚，並由切片軟體將模型分解為一系列截面資料。
2. 鋪設粉末：將粉末材料放入供粉區，供粉平台上升，由鋪粉機構將均勻粉末鋪在成形平台上。