112 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

表面硬化是讓工件表層具有較高硬度與耐磨性，同時保留心部的韌性，以兼顧耐磨、承受衝擊與振動的需求。常見方法可分為兩類：

• 表層組成或組織改變：透過熱處理，或使碳、氮等元素進入表面，改變表層的硬度與組織。
• 表層覆層或變形強化：在表面形成硬質層，或利用塑性變形提高表面硬度。

作答時，應列出至少五種方法，並簡要交代各自的原理或作法。

解題方法

本題是表面硬化方法的列舉與說明題。答題可涵蓋局部加熱淬火、化學熱處理、鍍層或噴覆，以及表面塑性加工等類型；每項點明作用原理，即可展現對方法差異的掌握。

表面硬化方法

1. 火焰淬火 以氧乙炔等火焰快速加熱工件表面至適當淬火溫度，隨即噴水或噴淬火液冷卻，使表層形成硬化組織；心部未充分加熱，仍可保持韌性。適合大型、局部需要硬化的零件。

2. 感應淬火 利用交變磁場在工件表層產生感應電流，使表面迅速升溫，再立即淬火硬化。加熱範圍與深度可藉由電流頻率、功率及加熱時間調整，常用於齒輪、軸類等零件。

3. 滲碳 將低碳鋼置於含碳介質中加熱，使碳原子擴散進入表面，形成高碳表層；之後淬火，使表層硬化，心部則保有較好的韌性。

核心觀念

本題考查銲接方法的分類，以及各類方法的接合原理與典型例子。銲接是利用熱、壓力，或兩者並用，使材料形成永久接合的方法；依接合時母材是否熔化、是否施加壓力，以及熱源或製程特性，可分為鑞接、融接、壓接和特種銲接。

解題方法

作答時依序說明每一類的接合原理、母材狀態、填料金屬或壓力的作用，以及常見例子。其中，鑞接的判斷重點是母材不熔化、由熔化的銲料填入接合處；融接則以母材熔化形成接合；壓接主要靠施加壓力使接合面結合；特種銲接則涵蓋不易歸入前三類，或採特殊能量來源與製程的銲接方法。

各類銲接方法

一、鑞接（Brazing and soldering）

鑞接時，母材不熔化，而是加熱至銲料熔化，利用銲料潤濕母材並藉毛細作用進入接合間隙，冷卻後形成接合。一般以銲料液相線溫度是否高於 $450^\circ\mathrm{C}$ 區分：

• 硬銲（brazing）：銲料液相線高於 $450^\circ\mathrm{C}$，例如銀銲、黃銅銲。
• 軟銲（soldering）：銲料液相線低於 $450^\circ\mathrm{C}$，例如電子電路板使用錫基銲料銲接。

鑞接適合接合異種金屬或較薄零件，也常用於需要銲接多個接點的組件。

二、融接（Fusion welding）

融接是以熱源使接合處的母材局部熔化，形成熔池；冷卻凝固後便完成接合。製程可使用填料金屬，也可不使用填料，並常以保護氣體或熔劑減少熔融金屬氧化。

常見例子包括：

• 氣體銲接：如氧乙炔銲。
• 電弧銲接：如被覆電弧銲、氬銲（GTAW）、惰氣金屬極電弧銲（GMAW）。
• 電阻銲接：如電阻點銲，以電流通過接合面產生電阻熱，使局部金屬熔化後接合。

三、壓接（Pressure welding）

核心觀念

本題考查金屬塑性加工中「熱作」與「冷作」的定義、判斷依據，以及典型製程。判斷的關鍵是加工溫度與材料再結晶溫度的相對關係，不是單看工件有沒有加熱。

金屬受塑性變形時會加工硬化，強度、硬度提高，延性降低；若加工溫度足以使材料在變形期間發生再結晶，便能消除或大幅減輕加工硬化，維持較好的塑性。

定義及判斷依據

• 熱作加工（hot working）：在材料再結晶溫度以上進行塑性加工。加工硬化可藉再結晶而消除，因此能進行較大的變形量，所需加工力通常較低；但表面容易氧化、產生氧化皮，尺寸與表面精度較不易控制。
• 冷作加工（cold working）：在材料再結晶溫度以下進行塑性加工，通常在室溫操作。加工硬化會保留，使強度、硬度上升，延性下降；通常可得到較好的尺寸精度與表面品質。

再結晶溫度不是所有金屬共用的固定溫度，會受材料種類、純度、加工程度及加熱時間等因素影響。因此應依材料的再結晶條件判斷，不能單憑「室溫」或「有加熱」斷定。介於常溫與再結晶溫度之間的加工，有時稱為溫作加工。

解題方法

作答時先以「是否高於再結晶溫度」界定熱作與冷作，再各舉兩種常見製程，依序說明坯料或工件如何受力、如何產生塑性變形，以及加工後的形狀或產品。以下以鍛造、熱軋作為熱作例子，以冷軋、拉線作為冷作例子。

熱作加工方法與製程

一、熱鍛造（hot forging）

1. 將金屬坯料加熱至再結晶溫度以上，使其具有足夠塑性。
2. 將坯料置於鍛模或砧座間，以壓力或衝擊力使金屬流動變形。
3. 金屬依模穴或工具形狀充填、延伸或墩粗，形成所需鍛件。
4. 取出鍛件，必要時再修邊、校正及熱處理。

熱鍛適合製作形狀較複雜或變形量較大的零件，例如軸類、齒輪胚及連桿鍛胚。

核心觀念

射出成型的生產週期時間，是完成一次射出循環所需的時間，通常包括模具閉合、充填、保壓、冷卻、開模及取出成品等階段。週期長短會影響單位時間的產量；其中冷卻往往占週期中相當大的比重。

解題方法

依射出循環各階段整理影響因素，並說明它們如何增加或縮短成型時間。題目要求至少列舉四項，回答四項以上並交代原因即可。

影響週期時間的因素

1. 塑件厚度與形狀：塑件越厚，中心冷卻至可脫模狀態所需時間越長；厚薄差異大或結構複雜，也會增加冷卻與成型所需時間。

2. 塑膠材料的熱性質：材料的熱傳導率、比熱及結晶特性會影響冷卻速度。例如結晶性塑膠須達到適當結晶程度，通常需要較長冷卻時間。

3. 模具溫度與冷卻系統：模溫較高時，塑件散熱較慢；冷卻水道的配置、冷卻水流量與溫度則會影響模具帶走熱量的效率。冷卻不均也可能造成變形，需延長冷卻時間。

核心觀念

本題考查切屑的形成型態及其對加工品質、刀具與機床的影響。切削時，若材料在剪切區內斷續分離，形成一段段互不連續的切屑，稱為不連續切屑（discontinuous chip）。這種切屑常見於脆性材料，也可能在切削速度較低、進給量較大或刀具幾何條件不利時產生。

解題方法

作答時可從不連續切屑的形成特性推論加工後果：切削力隨切屑分段而週期性變化，容易引起振動與衝擊；切屑斷裂、流出不穩定，也會影響工件表面及刀具耐用度。據此列出至少四項缺點，並說明各項與加工過程的關聯。

不連續切屑的缺點

1. 表面粗糙度較差：切屑分段與切削力變動容易造成刀具振動，使加工表面留下不規則痕跡。
2. 刀具磨耗加劇、壽命降低：切削力的週期性變化造成刀具承受反覆負載，增加磨耗與崩刃風險。