109 高普考高考三級 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查 IF 鋼與 BH 鋼的成分設計、加工與熱處理原理，以及兩者如何兼顧車用鋼板的成形性與車體強度。兩者的主要差別在於：IF 鋼藉由固定間隙原子取得良好深衝性；BH 鋼則保留少量固溶碳，利用烤漆烘烤時的應變時效提升強度。

IF 鋼：極低碳氮鋼

IF 鋼的碳、氮含量極低，並添加鈦、鈮等強碳氮化物形成元素，使殘留的碳、氮與其結合形成碳化物、氮化物或碳氮化物。如此可降低鐵素體中的固溶間隙原子，故稱「無間隙原子鋼」。

碳、氮原子若留在鐵素體中，會妨礙位錯移動，並容易造成應變時效，使板材在成形時出現屈服點伸長、滑移帶或表面皺紋。IF 鋼大幅降低這些間隙原子的影響，因此具有低屈服強度、高延性與良好深衝性，適合製作形狀複雜、成形量大的車體鈑件，例如車門內板、地板件及其他深衝零件。

**應用原理：**透過降低固溶碳、氮，減少位錯釘扎與成形中的應變時效，提升板材的塑性加工性。為維持零件所需強度，可藉由鈦、鈮微合金化及加工、退火條件調整晶粒與組織。

BH 鋼：烘烤可硬化鋼

BH 鋼在供應與沖壓成形時維持良好成形性，並保留少量固溶碳。板材經沖壓後，部分位錯已因塑性變形而增加；接著進行車身塗裝烘烤時，烘烤溫度與時間促使固溶碳向位錯擴散並釘扎位錯，產生應變時效硬化，使屈服強度提高。

核心觀念

刮齒（gear shaving）是正齒輪的精加工方法。工件齒面與刮齒刀齒面在一定交錯角下作相對滾動，刮齒刀齒面的狹窄溝槽形成切削刃，利用齒面間的相對滑動，從工件齒面刮除極薄切屑，以改善齒形、齒向及表面粗糙度。

刮齒刀外形近似一個齒面開有細槽的齒輪，常見為斜齒形刮齒刀。它不是單純以砂輪磨削，也不是以滾刀重新切出整個齒槽；加工前工件已經完成粗切齒，刮齒只去除少量材料，修整既有齒面。

解題方法與製程原理

1. 建立工件與刮齒刀的嚙合運動

刮齒刀與工件齒輪以交錯軸方式安裝，兩者齒面互相嚙合並作共軛滾動。刮齒刀帶動或配合工件旋轉，使工件齒面沿刮齒刀齒面滑動；齒面溝槽邊緣因而產生刮削作用，切除細微切屑。

若刮齒刀與工件的齒數分別為 $z_s$、$z_w$，其理想共軛轉速比由齒數比決定：

其中 $n_s$ 為刮齒刀轉速，$n_w$ 為工件轉速。交錯軸安裝則使接觸齒面同時具有滾動與滑動速度；滑動速度提供刮削作用，滾動關係則維持正確的齒面嚙合。

2. 形成切削並完成齒面修整

刮齒刀齒面上有許多細密溝槽，溝槽邊緣構成切削刃。加工時，刮齒刀與工件齒面以輕微壓力接觸，切削刃沿齒面滑過，逐步刮除凸點及不均勻部分。工件旋轉數周後，配合軸向進給，使刮齒刀掃過齒寬，完成整個齒面加工。

常見進給方式包括：

• 軸向刮齒：工件或刮齒刀沿齒輪軸向移動，使刮齒刀逐段加工整個齒寬。
• 對角刮齒：加工時同時進行軸向與切向進給，改變切削接觸位置，利於均勻利用刮齒刀齒面。
• 徑向進給：刮齒刀逐步向工件作徑向切入，達到設定切削量後完成修整。

實際採用哪一種進給方式，取決於工件形狀、齒寬與設備配置。

製程特性

優點

核心觀念

本題考查板材在板面內受拉時，寬度方向與厚度方向的塑性變形分配，以及這種變形特性如何影響引伸性。塑性應變比又稱 $r$ 值或 Lankford 值，是板材塑性異向性的指標。

在單軸拉伸試驗中，定義為寬度方向真塑性應變與厚度方向真塑性應變的比值：

其中 $w_0,t_0$ 為試片初始寬度、厚度，$w,t$ 為拉伸後的寬度、厚度。拉伸時寬度與厚度通常都縮小，兩者的真應變皆為負值，因此比值 $r$ 為正。此比值反映材料在塑性變形時，較傾向於在板面內變窄，或在厚度方向變薄。

塑性變形近似體積不變，故在單軸拉伸且塑性應變為主時：

其中 $\varepsilon_l^p$ 為長度方向真塑性應變。若量測長度與寬度應變，也可用體積不變條件求得厚度應變：

試驗方法

一般依金屬板材拉伸試驗方式進行，常用 ASTM E517 所規範的塑性應變比量測方法。試驗步驟如下：

1. 沿板材軋延方向 $0^\circ$、與軋延方向成 $45^\circ$、以及垂直軋延方向 $90^\circ$，分別裁取拉伸試片，以評估方向性。
2. 量測試片初始標距長度及寬度；試片厚度也可直接量測，或利用塑性體積不變條件推算厚度應變。
3. 對試片施加單軸拉伸，使其進入塑性變形，再於規定的塑性應變範圍內停止並量測變形後尺寸。量測應避開頸縮區，以免局部變形使結果失真。
4. 以真塑性應變計算各方向的 $r$ 值。若以標距長度與寬度計算，則：

方向測值記為 $r_0,r_{45},r_{90}$。因板材軋延組織造成異向性，須以多個方向的試片測試，不能只用單一方向代表整張板材。

引伸性指標與製程影響

平均塑性應變比 $\bar r$

平均值表示板材的正常異向性，常用公式為：

核心觀念

壓鑄是以可重複使用的金屬模具（壓鑄模）為型腔，利用活塞或柱塞將熔融金屬在壓力下高速射入模穴，並在金屬凝固期間維持壓力，待鑄件凝固後開模頂出。其核心是以高壓、高速充填金屬模，適合大量製造尺寸精確、薄壁且形狀複雜的非鐵合金鑄件。

常見鑄造方式中，壓鑄屬於金屬模鑄造，模具不會像砂模在每次鑄造後破壞。其「壓力」主要用於快速充填模穴，並在凝固時壓實金屬、改善表面與尺寸品質；但高速充填也可能造成氣體捲入。

解題方法：依原理、設備方式與製程特性作答

一、基本原理與作業循環

壓鑄機以兩半模具合模並鎖模，形成模穴及澆道系統。熔融金屬經射料室與澆道，在柱塞作用下快速進入模穴；金屬在模具冷卻作用下凝固，保壓一段時間後開模，再由頂出機構取出鑄件。之後清理模穴、噴塗脫模劑並再次合模，進入下一循環。

作業流程可概括為：

合模鎖模 → 射入熔融金屬 → 保壓凝固 → 開模頂出 → 修除澆道與溢流部分 → 再次合模。

模具通常設有澆道、排氣槽、溢流槽及冷卻通道。排氣與溢流設計可協助排出模穴中的氣體及冷金屬；冷卻通道則控制模具與鑄件的熱狀態，以維持品質和生產節拍。

二、熱室與冷室壓鑄

熱室設備的壓射機構長時間接觸熔湯，因此不適合會造成設備零件快速腐蝕或損耗的高熔點金屬。鋁合金壓鑄通常採冷室法。

三、製程特性

優點

核心觀念

本題考查電弧焊的熱源與接合原理，以及磁場不平衡造成的偏弧現象。電弧焊是利用電極與工件之間的電弧放電，將電能轉換為熱能，使母材局部熔化；視焊接方法而定，電極也可能熔化並提供填料金屬。熔融金屬凝固後，形成焊道並使工件接合。

電弧是氣體間隙中的持續放電現象。焊接電源提供足以維持電弧的電壓與電流，電流通過電離的氣體與金屬蒸氣形成的導電電漿。電弧熱使母材形成熔池；電極若為消耗式，熔化後的金屬滴進入熔池，若為非消耗式，則另以填料金屬補充。熔池受到保護氣體或焊劑保護，避免氧化與污染，冷卻凝固後成為焊縫。

偏弧（arc blow）是焊接電弧受磁力作用而偏離原本預期路徑的現象，常見於直流電弧焊，亦稱磁偏弧。其基本關係可用載流導體受磁場力表示：

其中 $I$ 為電流、$\mathbf{L}$ 表示電流方向與有效長度、$\mathbf{B}$ 為磁場。電弧電流與外加或殘留磁場相互作用，若磁場分布不對稱，電弧便受側向力而彎曲、游移。

解題方法

作答時先說明電弧焊如何產生熱量並完成接合，再以「電流會產生磁場，磁場不對稱會使電弧受力偏轉」作為偏弧成因的主軸。成因可分成焊接電流造成的磁場不平衡、工件殘留磁性與外部磁場干擾三類。

核心觀念

掃描白光干涉儀（scanning white light interferometry, SWLI）又稱垂直掃描干涉儀（vertical scanning interferometry, VSI），是以低同調白光干涉量測表面三維形貌的非接觸式光學方法。它利用白光的同調長度短、干涉條紋只在兩光束的光程差接近零時才有明顯對比的特性，逐點找出試件表面高度。

量測系統通常由寬頻白光源、分光元件、參考面、物鏡、影像感測器及垂直掃描機構組成。常見干涉物鏡有 Mirau、Michelson 及 Linnik 型。光束分為參考光與試件反射光，兩者重新合成後，在影像感測器上形成干涉訊號。

干涉與同調包絡

若參考光與試件反射光的光程差為 $\Delta$，干涉強度可概念性表示為：

其中 $I_{\mathrm{ref}}$、$I_{\mathrm{sam}}$ 分別為參考光與試件光的強度，$\gamma(\Delta)$ 是由光源頻譜決定的同調包絡，$\phi(\Delta)$ 是干涉相位。白光頻譜寬，因此 $\gamma(\Delta)$ 只在光程差接近零時較大；掃描時，干涉條紋的對比度會在同調包絡峰值附近增強。

對同一像素，沿垂直方向掃描可得到一條強度—掃描位置曲線。其同調包絡峰值對應該像素的表面高度。簡化表示如下：

其中 $z$ 為垂直掃描位置，$z_0$ 為包絡峰值所在位置，$g$ 為同調包絡函數，$k_0$ 為中心波數，$A$ 為干涉訊號振幅。

量測方法

1. 調整光學系統與試件：將試件置於物鏡視野內，使參考光與試件反射光能在感測器上形成干涉影像。
2. 沿光軸作垂直掃描：由壓電致動器、精密載台等機構改變物鏡或試件的位置，使參考光與試件光的光程差逐步改變。實務上通常掃過預期表面高度範圍。
3. 逐像素擷取干涉訊號：掃描過程中，感測器連續記錄每一掃描位置的干涉影像；每一像素因此得到一條強度對掃描位置的訊號曲線。
4. 求出各像素高度：以訊號處理找出每一像素同調包絡的峰值位置，作為該點的高度估計。常用方法包括包絡峰值搜尋、重心法及相關訊號分析；部分方法再利用條紋相位作精細高度估計。