111 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

本題測驗機械製造與精密量測領域中「表面組織（Surface Texture）」之幾何特徵分級，以及「尺寸公差（Dimensional Tolerance）」在計量學上的物理對應關係：

1. 表面輪廓成分（Surface Profile Components）：工件加工後的實際表面輪廓可視為不同空間波長（Spatial Wavelength）訊號之疊加，依波長由長至短分為：

• 形狀誤差（Form Error / Form）：長波長（宏觀幾何偏差）。
• 波紋度（Waviness）：中等波長（週期性或準週期性起伏）。
• 表面粗糙度（Surface Roughness）：短波長（微觀幾何不規則性）。

2. 尺寸公差與表面幾何之關係：尺寸公差係規範工件宏觀邊界尺寸（如外徑、長度）之最大與最小允許變動範圍。依包絡原理（Envelope Principle / 泰勒原則），極限尺寸所形成的邊界主要包容並限制「形狀誤差（Form）」，而微觀之波紋度與粗糙度則屬於重疊於該形狀骨架上的微細紋理。

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解題方法

1. 第 (一) 子題：採用「波形頻譜分解法」輔以工程示意圖解答。繪製合成表面輪廓（Total Profile）及其拆解出的形狀、波紋度、表面粗糙度三層次示意圖，並逐一就其定義、波長特徵與切削成因進行對比說明。
2. 第 (二) 子題：從圓柱車削加工之量測幾何尺度出發，以極限尺寸（Maximum / Minimum Material Size）之包絡界限切入，論證尺寸公差在量測所得訊號中對應於宏觀的「形狀（Form）」成分，並說明波紋度與表面粗糙度為何不屬於尺寸公差之本體。

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試題詳解

(一) 工件量測之形狀、波紋與表面粗糙度定義與圖解

1. 表面輪廓分解示意圖

【合成表面輪廓 (Total Surface Profile)】
 ^
 | /~~~\ /~~~\ /~~~\
 | /\ / /\ \ /\ /\ / /\ \ /\ /\ / /\ \ /\
 |--/--\/--/--\-\/--\-/- \/--/--\-\/--\-/- \/--/--\-\/--\--> 評定長度 (Evaluation Length)
 +--------------------------------------------------------

 || 訊號濾波分解 (Filtering)
 \/

(1) 形狀 (Form / Form Error) ──────── [最長波長，宏觀幾何]
 ^
 | ________________________
 | / \ (例：錐度、中凸、真直度誤差)
 +---------------------------------->

(2) 波紋度 (Waviness) ─────────────── [中等波長，週期起伏]
 ^
 | ~ ~ ~
 | / \ / \ / \ (例：機台顫振、主軸偏心)
 |_____/_____\_____/_____\_____/_____\-->
 |<--- 波紋間距 Wsm --->|

(3) 表面粗糙度 (Surface Roughness) ─── [最短波長，微觀痕跡]
 ^
 | /\ /\ /\ /\ /\ /\
 | / \ / \/ \ / \/ \ / \ (例：刀尖半徑進給痕、撕裂)
 |_/___\_/___\/___\_/___\/___\_/___\_-->
 |<-- 粗糙度間距 Rsm -->|

2. 各要素之定義與物理特性

特徵名稱	定義與空間波長特徵	主要產生原因（機械加工成因）
形狀 (Form)	指工件宏觀幾何輪廓與理想幾何形狀（如真直度、真圓度、平面度、圓柱度）之長期偏差，其空間波長最長（$\lambda_{\text{Form}} \gg \lambda_{\text{Waviness}}$）。	① 工具機床軌與導軌幾何精度誤差。

核心觀念

1. 線抽拉（Wire Drawing）的力學本質與極限： 線抽拉屬於冷間塑性加工，利用拉力將母材（通常為熱軋盤元）拉過斷面逐漸縮小的眼模孔型。拉拔應力 $\sigma_d$ 必須小於出模後線材的降伏強度 $\sigma_y$，否則線材出模後會立即產生頸縮（Necking）甚至拉斷。因此，單道次的斷面縮減率（Reduction of Area, $r$）存在物理上限（理想無摩擦極限為 $r_{\max} = 1 - 1/e \approx 63.2\%$，工業實務通常控制在 $15\% \sim 30\%$）。
2. 加工硬化（Work Hardening）與再結晶： 金屬在冷抽拉過程中，晶粒沿軸向被拉長，內部差排（Dislocation）密度急劇上升並互相阻礙，使強度與硬度上升、延展性（伸長率）顯著下降。當塑性儲備耗盡時，必須藉由中間退火（再結晶退火）消除加工硬化，使晶粒重新形核長大，恢復塑性。
3. 眼模（Drawing Die）的幾何形貌分區： 眼模內孔由具有不同幾何角度的旋轉體連續構成，各區域分擔潤滑劑導入、主要塑性壓縮變形、最終尺寸定徑、以及出模彈性回復防刮等專屬功能。

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解題方法

本題為標準的機械製造技術圖文申論題，切入重點如下：

1. 第一小題（15 分）：採取「整體設備機構圖 $\to$ 單道次抽拉局部力學變形圖 $\to$ 製程機制說明」的結構，並將「多次抽拉原因」與「退火處理原因」分成獨立子標題，從材料力學極限、晶體顯微組織演變兩大面向進行論述。
2. 第二小題（5 分）：繪製標準眼模軸向剖面圖，依材料行進方向清晰標示「入口鐘形區」、「進料變形錐角區」、「定徑帶（承面區）」、「出口釋放角區」四大區域，並條列說明各區的幾何功用與角度設計目的。

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解題技巧

1. 圖形繪製訣竅：

• 繪製抽線製程時，務必畫出「供料捲筒（Payoff reel）」、「潤滑箱（Lubricant box）」、「眼模（Die）」與「引拔動力捲筒（Capstan / Bull block）」，展現連續抽拉的完整工程概念。
• 繪製眼模時，必須清楚標出中心線、半錐角 $\alpha$、定徑帶長度 $L$，圖面標註愈標準，閱卷給分愈高。

2. 答題陷阱提醒：

• 切勿將「多次抽拉」單純解釋為「想要得到更細的線」，必須由「拉拔應力不能超過抗拉/降伏強度」以及「模具損耗與摩擦熱」切入。
• 退火說明不可僅寫「軟化金屬」，應點出「消除殘留應力、降低差排密度、使晶粒再結晶以恢復延展性」。

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【答案】

(一) 線抽拉製程說明、多次線抽拉及退火處理之原因

1. 線抽拉（Wire Drawing）製程原理與示意圖

線抽拉係將直徑為 $d_0$ 之金屬線坯端部經輾尖（Pointing）後穿過小於其直徑之眼模孔型（孔徑 $d_f$），施加軸向引拔拉力 $F$，使線材通過模孔時承受錐面之徑向壓應力與軸向拉應力，產生塑性變形以縮小直徑並增長長度之加工法。

 【線抽拉製程系統與單道次變形示意圖】

 [放料捲筒] [潤滑劑箱] [引拔捲筒 (Capstan)]
 (Pay-off) (Soap/Oil) (Power)
 ◎ ──────────────> [ 潤滑 ] ───> ▓▓ [模具] ▓▓ ───> ◯======> 拉拔力 F
 (初始線材 d0) ▓▓ ▓▓ (成品線材 df)
 ▲
 ────────────────────────────────────┼───────────────────────────
 【局部模孔受力變形放大圖】： │
 眼模本體
 ┌───────┴───────┐
 │ ╲ 入口錐 │
 線材進入 (直徑 d0) │ ╲ │ 線材引出 (直徑 df)
 ───────────────┐ │ ╲────┬────│ ┌───────────────
 │ │ │變形│ │ │
 │───────┤ │ 區 │ ├───────┼─────────> 拉拔力 F
 中心對稱軸 - - - - ┼ - -│- - -│- - ┼ - - - - - - - - -
 │───────┤ │ │ ├───────┼─────────>
 │ │ │ │ │ │
 ───────────────┘ │ ╱────┴────│ └───────────────
 │ ╱ 定徑帶 L │
 │ ╱ │
 └───────────────┘

2. 採用「多次線抽拉（Multiple-pass Drawing）」之原因

核心觀念

1. 潛弧銲接（Submerged Arc Welding, SAW）原理：利用連續送進之裸電極金屬銲線與母材間引燃電弧，電弧與熔池完全「隱蔽／掩埋」於預先鋪設之可熔顆粒狀銲劑（Flux）層底下。高溫下部分銲劑熔化形成液態熔渣及保護氣體，與外界空氣完全隔絕，冷卻後熔渣浮於銲道表面，未熔化的顆粒銲劑可由回收系統吸回重複使用。
2. 傳熱與冶金特性：SAW 屬於高電流、高熱輸入（Heat Input）、深滲透、高沉積速率（Deposition Rate）之熔融銲接法。熔渣具有良好的保溫與緩冷作用，能減少裂紋傾向並可添加合金元素進行冶金調節。
3. 姿態局限性：受液態熔池體積龐大及顆粒銲劑流動性（依賴重力覆蓋）限制，一般僅適用於平銲（下向銲，1G/1F）或微傾斜橫銲（需擋劑裝置）。

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解題方法

1. 第 (一) 子題（15 分）：

• 圖解繪製：於試卷上繪製標準製程斷面示意圖，標記「裸銲線、送線滾輪、導電嘴、顆粒銲劑漏斗、未熔銲劑、熔渣層、電弧、熔池、凝固銲道、母材」等關鍵元件與區域。
• 原理解說：說明電弧引燃、銲劑保護、連續自動送線機制。
• 特點與限制對比：以結構化列點，從生產效率、銲接品質、熱影響區（HAZ）、施銲空間與設備成本等維度全面陳述。

2. 第 (二) 子題（5 分）：

• 結合船舶甲板工程實務：甲板為大面積平面結構，具有大量長直對接銲道，極適合自動化行走台車（Tractor）。
• 界定具體適用範圍：從「銲接姿態（平銲）」、「接頭型式（對接）」、「鋼板厚度（中厚板）」、「施銲工序（室內預製拼板 vs. 船塢合攏）」四個關鍵範疇具體論述。

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詳解內容

(一) 潛弧銲接（Submerged Arc Welding）製程說明、特點與限制

1. 製程示意圖

考生於試卷上應繪製如下構造與動態反應圖：

 [ 銲線盤 Wire Reel ]
 │
 ┌─────┴─────┐
 │ 送線滾輪 │ (自動送進)
 └─────┬─────┘
 │ 裸銲線 (Electrode Wire)
 ▼
 ┌───────────────┐
 │ 導電嘴 │ ── 接銲接電源 (AC/DC)
 └───────┬───────┘
 │
 銲劑漏斗 ──> [顆粒狀銲劑層 (Flux)]
 │
 ─────────────────────────┼───────────────────────── 銲接方向 ──>
 已凝固熔渣 (Slag) │
 ┌──────────┐ │ [未熔銲劑層]
 ──┴──────────┴──┐ ▼ ┌───────────────┐
 凝固銲道金屬 │ (隱蔽電弧)│ 未熔銲劑 │
 (Weld Metal) │ [熔池Pool]│ (可回收再用) │
 ────────────────┴───────────┴───────────────┴─────────────
 母材工件 (Base Metal) ── 接接地線
 ───────────────────────────────────────────────────────────

2. 製程原理闡述

• 連續自動送線：由送線機構連續將盤裝裸金屬銲線經由導電嘴送入銲接區。
• 銲劑覆蓋與電弧引燃：銲劑漏斗在銲槍前方預先均勻鋪設厚層顆粒銲劑，電弧在銲劑層深處引燃，電弧熱同時熔化母材、銲線與部分銲劑。
• 隔絕保護與冶金反應：熔化的銲劑形成保護性熔渣覆蓋於熔池表面，隔絕大氣（防氧化與氮化），並藉由渣－金冶金反應進行脫氧與合金成分調配；未熔化之多餘銲劑由吸塵裝置回收。

3. 製程特點（優點）

• 高生產率與高沉積率：可承載極高電流（可達 $300 \sim 1500\text{ A}$ 或更高），熱效率高達 $80\% \sim 90\%$，銲線熔敷速度遠高於一般手工電銲（SMAW）與氣體保護電弧銲（GMAW）。
• 深熔透能力：電弧能量集中，中厚板（約 $12\text{ mm}$ 以下）常可進行不開坡口或小坡口的單道雙面銲，大幅節省坡口加工與填角金屬量。
• 銲道品質優良且穩定：全自動或半自動機械化作業，人為操作變因少；熔渣層緩冷作用可改善銲道韌性，外觀平整均勻無飛濺。

核心觀念

本題考查高分子加工製造（熱塑性塑膠成型加工）的核心領域，包含兩大重點：

1. 中空吹成成型技術（Blow Molding）：聚乙烯對苯二甲酸酯（Polyethylene Terephthalate, 簡稱 PET）製成透明耐壓容器（寶特瓶）的專用工法——射出延伸吹氣成型（Injection Stretch Blow Molding, ISBM），以及其利用「雙軸延伸配向（Biaxial Orientation）」提升結晶度、透明度、機械強度與阻氣性之原理。
2. 綠色製造與再生塑料加工（Circular Manufacturing / rPET Processing）：熱塑性聚酯在回收再生（Recycled PET / Regrind）時面臨的物性劣化機制，包括吸濕引發之高溫水解降解（Hydrolytic Degradation）、固有黏度（Intrinsic Viscosity, IV） 下降、熱歷史殘留雜質（如乙醛、碳化物），以及因應上述問題所必須調控之製程參數（乾燥露點、熔融溫度、射出壓力、過濾系統及延伸吹氣溫控）。

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解題方法

1. 第 (一) 小題切入點：

• 明確標出工法專有名詞（中英文對照）。
• 按工序邏輯分段解說：從進料乾燥、射出瓶胚（預成型體）、重新加熱調節、機械拉伸配合高壓吹氣（雙軸延伸），到冷卻脫模。
• 簡要補充「單步法（One-stage）」與「二步法（Two-stage）」的製程差異，展現答題深度。

2. 第 (二) 小題切入點：

• 圍繞回收料（rPET）相較於新料（Virgin PET）的物理／化學性質差異（IV 降低、分子量分佈變寬、雜質增加、易水解、熱穩定性變差）。
• 結構化列出關鍵製程參數（如乾燥溫度與水分率、料管熔融溫度與滯留時間、射出與保壓壓力、吹氣成型溫度窗）與操作注意事項（過濾防堵、混料均勻度、食品接觸安全與乙醛控制）。

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選項分析

本題為專業科目申論問答題，非選擇題，故無個別選項；閱卷評分標準取決於專有名詞的精準度、製程步驟之邏輯連貫性，以及再生塑料加工參數之工程實務深度。

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解題技巧

1. 關鍵字給分法則：閱卷委員尋找的關鍵字包括「射出延伸吹氣成型（ISBM）」、「瓶胚（Preform）」、「玻璃轉移溫度（$T_g$）」、「雙軸延伸（Biaxial Orientation）」、「固有黏度（IV 值）」、「水解（Hydrolysis）」及「除濕乾燥」。缺漏上述名詞將導致大幅扣分。
2. 避免混淆工法：切勿將寶特瓶加工寫成普通的「擠出吹氣成型（Extrusion Blow Molding, EBM，常用於 HDPE 牛奶瓶/洗髮精瓶）」或未經拉伸的「射出吹氣成型（IBM）」。PET 寶特瓶具備薄壁、高透明與耐內壓特性，必須經過「拉伸桿縱向拉伸」與「壓縮空氣橫向吹脹」之 ISBM 製程。
3. 回收料三大致命傷記憶法：水（水解降解）、雜（異物堵塞與應力集中）、熱（二次受熱黃變與 IV 下降）。製程參數調整皆圍繞這三大核心展開。

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【答案】

(一) 製造保特瓶（PET bottle）之高分子加工法名稱與製程

1. 加工法名稱： 射出延伸吹氣成型（Injection Stretch Blow Molding, 簡稱 ISBM），亦稱射出拉伸吹成型。

2. 完整製程步驟： ISBM 製程主要分為兩大階段（現今量產普遍採用二步法，Two-stage process）：

• 步驟一：原料乾燥（Drying） PET 顆粒極易吸濕，成型前必須經過除濕乾燥機處理，將水分含量降至 $0.005\%$（$50\text{ ppm}$）以下，防止熔融時發生水解。
• 步驟二：射出成型預成型體／瓶胚（Preform Injection Molding） 將乾燥後的 PET 熔融塑料射入模穴，成型出具有最終螺紋瓶口形狀、底部封閉的試管狀胚料（稱為預成型體，Preform）。射出模具施以急速冷卻，使 PET 抑制結晶，呈現透明無定形（Amorphous）狀態。
• 步驟三：瓶胚加熱與溫度調節（Reheating & Conditioning）

核心觀念

本題考查車削加工（Turning Operations）的基礎原理、切削運動幾何關係及各類單點刀具（Single-point tool）加工法之差異。

1. 車削基本運動三要素：

• 主運動（切削速度 $V_c$）：由工件繞主軸旋轉產生，切削速度公式為 $V_c = \frac{\pi D N}{1000}\text{ (m/min)}$（其中 $D$ 為工件直徑 $\text{mm}$，$N$ 為主軸轉速 $\text{rpm}$）。
• 進給運動（進給率 $f$）：刀具沿加工方向的相對移動量，單位為 $\text{mm/rev}$。
• 切削深度（Depth of Cut, $\text{DoC}$，常以 $d$ 表示）：刀具切入未加工工件表面的垂直距離，單位為 $\text{mm}$。

2. 單點刀具加工幾何關係：

• 外徑車削（Turning）：刀具沿工件迴轉軸線方向（軸向，Z 軸）進給，切削深度於半徑方向（徑向，X 軸）切入。
• 端面車削（Facing）：刀具垂直於迴轉軸線方向（徑向，X 軸）朝中心進給，切削深度於軸向（Z 軸）設定。

3. 擴充單點刀具加工法：

• 搪孔（Boring）：在預留孔（如預鑽孔、鑄孔）內部以單點刀桿進行內徑擴大與真圓度、同心度修正。
• 溝槽加工（Grooving）：使用特定刃寬之成形刀具沿徑向垂直切入，形成特定深寬比之凹槽或進行切斷。

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解題方法

本題為標準申論圖說題，採結構化切入：

1. 第 (一) 小題（14 分）：

• 分別繪製「外徑車削」與「端面車削」的幾何架構圖，於圖中明確繪出：工件中心線、工件旋轉方向（$\omega$）、單點刀具、進給方向（$f$ 箭頭）與切削深度（$\text{DoC}$ 尺寸界線）。
• 輔以文字針對兩者的「運動方向定義」、「切削深度計算公式」及「加工目的」進行對比剖析。

2. 第 (二) 小題（6 分）：

• 分別說明「搪孔」與「溝槽加工」之加工原理、刀具配置、進給特徵及主要加工目的，突出其作為「單點刀具加工」的特性。

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試題精解

(一) 外徑車削與端面車削之加工法與圖解

1. 外徑車削（Turning / Straight Turning）

• 加工法說明：工件被夾持於車床主軸夾頭並以轉速 $N$ 等速旋轉；單點車刀沿平行於工件迴轉軸線的方向（軸向）做連續直線進給移動，車削掉外層多餘金屬，使工件直徑由原始直徑 $D_0$ 縮減至目標直徑 $D_f$，形成圓柱形外表面。
• 切削深度（DoC, $d$）：為工件加工前、後之半徑差，方向垂直於進給方向（徑向切入）： $d = \frac{D_0 - D_f}{2}$
• 進給（Feed, $f$）方向：平行於工件中心軸線（軸向，即車床 Z 軸負方向），朝主軸夾頭方向進給。

 外徑車削（Turning）示意圖

 未加工表面 (直徑 D0)
 +-----------------------------+
 | |
=======|=============================|====== 中心線 (軸向 Z)
 | 已加工表面(Df) |
 +-----------+ |
 ^ | +-------+ |
 | DoC | | 車 刀 | |
 v | +---+---+ |
 +---------| +-------+
 | 進給 (f) <-- |
 +---------------+
 (工件逆時針旋轉 ω)

2. 端面車削（Facing）

• 加工法說明：工件高速旋轉，單點車刀切入特定軸向深度後，刀刃沿垂直於工件迴轉軸線的方向（徑向，X 軸）從外緣往旋轉中心（或由中心往外）直線移動，將圓棒末端多餘長度切除，產生與中心線完全垂直的平整端面，常用作後續加工基準面。
• 切削深度（DoC, $d$）：為加工前後工件軸向長度的差值，方向平行於迴轉軸線（軸向設定）： $d = L_0 - L_f$
• 進給（Feed, $f$）方向：垂直於工件中心軸線（徑向，即車床 X 軸方向），自外徑朝向中心軸線直線進給。