110 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

本題考查金屬切削時，工件材料受刀具擠壓、剪切而形成切屑的型態。切屑種類與工件材料的延性、切削速度、進給量、切削深度、刀具幾何形狀及切削液等因素有關。常見的四種切屑為：

1. 連續型切屑
2. 不連續型切屑
3. 積屑瘤型切屑
4. 鋸齒型（分段型）切屑

解題方法

作答時逐一說明各類切屑的形成特徵、常見材料或切削條件，以及對加工的影響。題目要求描述四種類型，重點在於分辨切屑形成是否連續、切屑與刀具接觸狀況，以及切屑形狀是否呈分段狀。

四種切屑類型

一、連續型切屑（continuous chip）

切屑沿剪切面持續塑性變形，形成長條狀、帶狀或螺旋狀的連續切屑。常見於延性較高的材料，例如低碳鋼、鋁及銅合金；在切削速度較高、刀具鋒利且前角較大的條件下，也較容易形成。

連續型切屑通常表示切削過程較平穩，表面粗糙度較佳。但長切屑容易纏繞工件或刀具，造成排屑與操作上的困難，也有安全上的風險。

二、不連續型切屑（discontinuous chip）

切屑由分離的小片或小段構成，形成時會週期性地斷裂。常見於脆性材料，例如鑄鐵、青銅；延性材料在低切削速度、大進給量或較小前角等條件下，也可能形成不連續切屑。

此類切屑容易排除，但切削力變化較大，容易引起振動，使加工表面較粗糙，並可能加速刀具磨耗。

三、積屑瘤型切屑（built-up-edge chip）

核心觀念

比切削能（specific energy，$u$）是切除單位體積材料所需的能量，也可視為單位切除體積所消耗的切削功。若切削功率為 $P$、材料移除率為 $\dot{V}$，則

若以切削力 $F_c$、切削速度 $V$ 表示切削功率，則 $P=F_cV$，因此

比切削能的量綱為能量除以體積，例如 $\mathrm{J/mm^3}$。它不是材料本身固定不變的性質，會受到切屑厚度、刀具幾何、工件材料、摩擦與加工條件影響。

解題方法與尺寸效應

本題第一小題先由「單位移除體積所需能量」定義比切削能，再判斷切屑厚度變小時，單位體積材料的切削負擔如何改變。比切削能具有尺寸效應：未變形切屑厚度減小時，比切削能通常會上升；切屑厚度增加時，比切削能通常會下降，並在較大切屑厚度下逐漸趨於穩定。

其主要原因是切削力不會隨切屑厚度等比例降到零。切屑厚度很小時，刀刃鈍圓半徑及刃口附近的塑性變形、摩擦等影響占比增加；此外，切屑厚度接近最小切屑厚度時，部分材料會被刀刃推擠或犁削，而非形成切屑。此時切除的材料體積很少，但仍須克服刃口變形與摩擦所消耗的能量，因此每單位移除體積所需能量提高。

磨削比切削能較高的原因

核心觀念

本題考查鑄造模型的開模與閉模、金屬加熱所需的熱量，以及純鋁鑄件的質量與加熱能量計算。

鑄造時，金屬升溫所需的能量由三部分組成：

1. 固態金屬由室溫升至熔點的顯熱；
2. 金屬在熔點由固態熔化為液態的熔融熱；
3. 液態金屬由熔點升至澆注溫度的顯熱。

若固、液態比熱相同，單位質量所需能量為

其中 $c$ 為比熱、$T_0$ 為室溫、$T_m$ 為熔點、$T_p$ 為澆注溫度，$H_f$ 為熔融熱。

解題方法

（一）開模與閉模的區別

• 開模（open mold）：模穴向外界敞開，通常由底部模面及側壁形成鑄件外形，金屬直接澆入模穴，沒有封閉的上模，也通常不設完整澆注系統。鑄件頂面會直接接觸空氣，形狀較簡單。
• 閉模（closed mold）：模具由兩半或多個部分合模後形成封閉模穴，金屬經由澆口、流道等澆注系統進入模穴；需要排氣，且通常較能控制鑄件形狀與尺寸。

（二）加熱至鑄造溫度的三個能量成分

總熱量包含：

1. 固態金屬從室溫升至熔點的顯熱；
2. 金屬由固態熔化為液態的熔融熱；
3. 液態金屬從熔點升至澆注溫度的顯熱。

（三）純鋁圓盤的加熱能量

(a) 單位質量的能量

已知 $T_0=25^\circ\mathrm{C}$、$T_m=660^\circ\mathrm{C}$、$T_p=760^\circ\mathrm{C}$，故

核心觀念

本題比較的是兩種以填料金屬接合母材、而不熔化母材的接合製程，並判斷它們相對於熔接的適用情境。

• 硬焊（brazing）：填料金屬的液相線溫度高於 $450^\circ\mathrm{C}$，但低於母材熔點。加熱後，液態填料藉由毛細作用進入接合間隙，冷卻凝固形成接頭。
• 軟焊（soldering）：填料金屬的液相線溫度低於 $450^\circ\mathrm{C}$，同樣不熔化母材，主要藉由潤濕與毛細作用填滿接合間隙。
• 熔接（welding）：通常使母材局部熔化，也可另加填料金屬；母材熔合形成接頭。

硬焊與軟焊的分類界線是填料的液相線溫度，不是母材的熔點。兩者都重視接合面的清潔、適當間隙、填料潤濕性與助熔劑或保護氣氛的選用。

解題方法

依「熱源與母材是否熔化、接合機制、接頭性能、適用情況」比較硬焊、軟焊與熔接，再分別整理硬焊及軟焊的限制。答題時要特別指出：硬焊與軟焊不熔化母材，並不代表接頭沒有熱影響；接頭仍受填料性能、接合間隙和加熱條件限制。

（一）硬焊與軟焊製程的異同

兩者的共同點是母材不熔化、填料熔化並潤濕接合面，且都需要控制接合間隙與表面狀況。主要差別是填料熔化溫度及其帶來的接頭強度、耐熱性與用途差異。

（二）硬焊與軟焊的缺點或局限性

硬焊的缺點或局限性

1. 接頭強度受填料限制：填料通常不如母材強，接頭承載能力可能低於以熔接形成的接頭。
2. 接合間隙與表面要求高：間隙太大或太小、表面氧化或污染，都會妨礙填料流動與潤濕，降低接頭品質。
3. 加熱仍可能影響母材：雖然母材不熔化，較高的接合溫度仍可能造成退火、變形、殘留應力或性能改變。
4. 填料及助熔劑有使用限制：填料須能潤濕母材並與其相容；助熔劑殘留也可能腐蝕接頭，須清除或妥善處理。

核心觀念

擠製（extrusion）是將金屬坯料置於容器內，施加壓力使坯料產生塑性流動，並由模孔擠出，形成具有近似固定截面形狀長條產品的塑性加工法。常見產品包括棒、管、型材及線材。擠製可在熱加工或冷加工狀態下進行；本題重點是依坯料流動方向與擠壓 ram（壓桿）的移動方向，區分直接與間接擠製。

解題方法

作答時先交代共同原理，再比較兩種方式的模具位置、金屬流動方向、坯料與容器壁的相對運動，即可清楚區別：

• 直接擠製（direct extrusion，又稱正向擠製）：模具固定在容器出口端。壓桿推動坯料朝模具前進，金屬流經模孔後，沿著壓桿前進方向擠出。坯料相對於容器壁滑動，因此坯料與容器壁之間有摩擦，通常造成較大的擠製力及沿坯料長度方向的變形不均。

核心觀念

百（千）分表是比較量測工具，用來測量工件相對於基準的微小位移或尺寸差異。它本身通常不直接讀出工件的絕對尺寸，而是先以標準件或基準面設定零點，再讀取工件相對基準的變化量。常見型式為針盤指示量表與槓桿式量表，兩者主要差異在於測頭的運動方式與傳動機構。

構成與使用注意事項

一、針盤指示量表（Dial indicator）

構成： 主要由測頭（測桿與測頭端）、回位彈簧、齒條與齒輪傳動機構、指針、刻度盤及表殼構成。測頭沿軸線移動時，測桿帶動齒條，經齒輪組將直線位移轉換為指針的旋轉，藉刻度盤讀出位移量。部分量表設有小指針或計數盤，用來顯示指針的整圈數。

使用注意事項：

1. 量表應固定在剛性足夠的表架上，避免表架鬆動或受力變形而造成讀值偏差。
2. 測桿軸線應盡量與待測位移方向平行；若斜置，會產生餘弦誤差。
3. 測頭應保持適當預壓，使測頭與工件穩定接觸，並確認測桿仍有足夠行程，避免頂到底或超出量程。
4. 設定零點時，先讓測頭接觸基準面或標準件，再轉動刻度盤使指針對零；量測時注意讀取正負方向與整圈數。
5. 推動或移動工件時應平順，避免撞擊測頭、快速大幅移動測桿，以免損壞齒輪機構或造成指針跳動。
6. 量測前確認測頭、工件與基準面清潔，並檢查指針回零是否正常；避免切屑、油污或毛邊影響接觸。

二、槓桿式量表（Lever indicator）

構成： 主要由槓桿測頭、支點、連桿或齒輪傳動機構、指針、刻度盤及表殼構成。工件表面使測頭產生微小擺動，槓桿以支點轉動，再經傳動機構放大並帶動指針顯示位移。槓桿式量表的測頭可從側向接觸工件，適合狹小空間、內孔或不易讓直線測桿垂直接近的位置。

使用注意事項：