112 高普考高考二級 機械工程 機械製造學 考古題詳解

核心觀念

磨粒加工是以硬質磨粒切除工件材料，常用於高硬度材料、精密尺寸控制及低粗糙度表面加工。依磨粒是否固定在工具上，分為：

• 固定磨粒加工（Fixed-abrasive machining）：磨粒由結合劑固定在砂輪、砂帶等工具上，工具旋轉或移動時，磨粒切削工件。
• 游離磨粒加工（Free-abrasive machining）：磨粒不固定於工具，而是置於工件與工具之間，藉工具施加的壓力及相對運動進行研磨或拋光。

本題除要求各舉一種製程及產品應用，也考查游離磨粒加工採固定負荷控制的原因，以及其優缺點。

（一）製程與工業產品應用

固定磨粒加工：砂輪磨削

砂輪由磨粒、結合劑與氣孔組成。砂輪高速旋轉時，突出於表面的磨粒以微小切削刃切削工件；磨粒鈍化或脫落後，新的磨粒露出，維持切削能力。

**應用例：**汽車引擎曲軸的軸頸精密磨削。曲軸經熱處理後硬度高，可用砂輪磨削控制軸頸的尺寸、圓度及表面粗糙度，使其符合軸承配合要求。

游離磨粒加工：研磨（lapping）

研磨時，將研磨液或研磨膏置於工件與研磨盤之間，磨粒在兩表面間滾動、滑動或受到擠壓，切除極少量材料。研磨盤主要提供承載與相對運動，磨粒則是實際切削介質。

**應用例：**光學鏡片或精密量規的平面研磨。研磨可改善平面度與表面品質；光學元件後續再經拋光，可進一步降低表面粗糙度並減少光學缺陷。

（二）固定負荷控制的原因、優缺點

固定負荷控制的原因

游離磨粒的切削刃沒有固定在工具上；磨粒會在工件與工具間重新分布，也會滾動、滑動或嵌入表面。若以固定工具位移控制加工，隨著工件高點被磨除、接觸面積與幾何狀態改變，接觸壓力也會跟著變動，造成磨粒切入深度及材料去除速率不穩定。

核心觀念

積層製造是依三維數位模型，將材料逐層堆疊形成零件；金屬積層製造的常見方法包括粉床熔融法（Powder Bed Fusion, PBF）與指向性能量沉積法（Directed Energy Deposition, DED）。兩者主要差異在於：PBF先鋪設粉末床，再選擇性熔融成形；DED則在沉積材料的同時，以集中熱源熔融材料。

本題第一小題要各舉一種金屬積層製造方法，說明其製程與限制；第二小題要辨認能與工具機切削加工整合的積層方法。

解題方法

以「材料如何送入、如何熔融、如何逐層成形」說明製程，再從設備形式、成形尺寸、精度與後處理需求整理限制。第二小題則抓住「同一工具機內加材與減材」這項特徵，判斷其常用的積層製程。

(一) 適用於金屬工業製品的兩種積層製造方法

1. 粉床熔融法（PBF）

**製程：**在成形平台上鋪一層金屬粉末，以雷射或電子束依切片資料選擇性熔融粉末，使其凝固並與下層結合。平台下降後再鋪新粉，重複熔融與降平台的步驟，直到零件完成。常見方式包括雷射粉床熔融（PBF-LB）及電子束粉床熔融（PBF-EB）。

限制：

• 成形空間受粉床與設備尺寸限制，大型零件製作不易。
• 成形速度通常較慢，且金屬粉末須符合粒徑、流動性等要求，設備與材料成本較高。
• 熔融與冷卻會造成殘留應力、變形或裂紋；部分零件須經熱處理或去除支撐。
• 零件表面粗糙度、尺寸精度及內部缺陷受製程參數影響，往往仍須後續加工與檢驗。

2. 指向性能量沉積法（DED）

**製程：**以噴嘴將金屬粉末或金屬線材送至基材表面，同時使用雷射、電子束或電弧等集中熱源熔融材料。噴嘴或工件依指定路徑移動，熔融材料凝固成道，再逐道、逐層堆疊形成零件或修補區域。

限制：

核心觀念

本題考查金屬在外力作用下的塑性變形特性，以及鋁窗框的直接擠型製程。作答時，應先以應力－應變曲線標示材料由彈性變形進入塑性變形、加工硬化與頸縮破斷的過程；再依序說明鋁胚、模具、擠型桿與擠型筒的相對位置及金屬流動方向。

工程應力與工程應變分別為

其中 $F$ 為拉力，$A_0$ 為原始截面積，$L_0$ 為原始標距長度，$\Delta L$ 為伸長量。

（一）金屬塑性變形之應力－應變曲線

下圖以延性金屬的拉伸曲線為例。實際曲線的降伏點形狀及是否出現降伏平台，會因材料而異。

應力 σ
 ↑
 │ ● U：極限抗拉強度
 │ ／ ＼
 │ 加工硬化 ／ ＼ ● F：破斷
 │ ／ （頸縮後）
 │ ● Y：降伏
 │ ／
 │ ／
 │ ● E：彈性極限
 │ ／
 │ ● P：比例極限
 │ ／
 │ ／
 └──────────────────────────────────→ 應變 ε
 彈性變形 均勻塑性變形 頸縮

1. 彈性變形區：曲線起始段近似直線，應力與應變遵守虎克定律 $\sigma=E\varepsilon$，$E$ 為彈性模數。卸載後材料大致回復原形。比例極限 $P$ 是應力與應變維持正比關係的上限；彈性極限 $E$ 是卸載後仍能完全回復的上限。
2. 降伏與塑性變形：應力達降伏點 $Y$ 後，材料開始產生永久變形。卸載後仍留下塑性應變，這是金屬成形加工能改變工件形狀的基礎。
3. 加工硬化區：降伏後至極限抗拉強度 $U$ 之前，材料持續均勻伸長；隨塑性變形增加，材料強度及所需變形應力上升，稱為加工硬化。
4. 頸縮與破斷：達到 $U$ 後，試片局部截面開始快速縮小，形成頸縮。工程應力以原始截面積計算，故曲線下降；最後於 $F$ 點破斷。此處須注意，若改畫真應力－真應變曲線，頸縮後的真應力趨勢與工程曲線不同。

核心觀念

非傳統加工（Nontraditional Machining, NTM）是指不以傳統刀具的直接切削作用為主要材料去除方式，而是利用其他能量或作用機制加工工件。常見分類依所使用的能量場分為：

1. 機械能場：以高速流體、磨粒或振動造成衝擊、刮除或脆性破碎。
2. 電能場：以電能造成放電蝕除；放電時的高溫使材料局部熔化、汽化。
3. 熱能場：以集中的熱源使材料熔化、汽化或燒蝕。
4. 化學能場：以化學反應溶解或蝕除工件表面材料；有些分類會把電化學能另外列出，但本題採常見四類架構，將電解加工歸入電化學／化學類說明。

各教材的分類細節略有差異；作答時應清楚寫出能量如何去除材料，再配對代表製程。

解題方法

本題分兩部分作答：先列出四種能量場及其材料去除機制，再為每一類各選一種代表製程，說明加工原理與工業應用。如此可避免只列製程名稱，卻沒有交代「能量場如何轉變成材料去除」。

四種能量場、代表製程與應用

一、機械能場：超音波加工（Ultrasonic Machining, USM）

**加工原理：**工具以超音波頻率振動，工具與工件之間供應含磨粒的漿液。振動工具反覆撞擊磨粒，使磨粒衝擊、刮削工件表面，材料主要以脆性破碎方式移除。USM 不依靠工具刃口直接切削，適合加工硬脆材料。

**工業應用：**可加工玻璃、陶瓷、硬質合金等材料，例如陶瓷零件的孔洞、異形孔與模具型腔。

二、電能場：放電加工（Electrical Discharge Machining, EDM）

**加工原理：**工具電極與導電工件之間保持微小間隙，並浸於介電液中；施加脈衝電壓後，間隙中產生火花放電。放電形成的高溫使工件局部熔化、汽化，介電液再帶走加工屑。加工時電極與工件不直接接觸，因此可加工硬度很高的導電材料。