114 高普考高考三級 機械工程 機械製造學 考古題詳解

核心觀念

砂模品質須能承受熔融金屬的熱與壓力，讓型腔中的氣體順利排出，並在鑄件凝固後便於脫砂。常用的砂模品質能力指標包括透氣性、強度、耐火性與退讓性；各指標分別對應排氣、保持形狀、抵抗高溫及鑄件收縮等需求。

解題方法

題目要求列舉四種「能力指標」並說明意義，宜從鑄造過程的四個關鍵需求切入：氣體能否排出、砂模能否保持完整、能否承受熔融金屬的高溫，以及鑄件凝固收縮時砂模能否讓位。據此作答如下：

1. 透氣性（permeability） 指砂模讓空氣、水蒸氣及熔湯產生的氣體通過砂粒間孔隙並排出的能力。透氣性不足時，氣體滯留於型腔，容易造成氣孔、針孔等缺陷；透氣性過高則可能降低砂模表面品質，且較易讓熔融金屬滲入砂粒間隙。

2. 強度（strength） 指砂模在搬運、合模及澆注時抵抗破壞、變形與沖蝕的能力。強度不足會造成砂模崩落、型腔變形，甚至使砂粒被熔湯沖入鑄件；

核心觀念

本題考平輥軋製程中，如何降低輥輪施加於工件的輥軋力。輥軋力過大會造成輥輪撓曲與扁平化，也可能使機柱變形，改變輥輪間隙，進而影響板材厚度。

簡化的輥軋力關係式為：

其中，$F$ 為輥軋力、$\bar{Y}$ 為材料平均流動應力、$w$ 為板材寬度、$L$ 為輥輪與工件的接觸長度。接觸長度可近似表示為：

$R$ 為輥輪半徑，$\Delta h$ 為每道次的壓下量。由此可知，降低材料流動應力、減少接觸長度或減少界面摩擦，均可降低輥軋力。

解題方法

依照輥軋力的影響因素，列出下列四種方法：

核心觀念

本題考查銲接接頭常見缺陷的辨識，以及各缺陷與銲接材料、接頭準備、熱輸入和操作條件之間的關係。銲接缺陷是指銲道或熱影響區中不符合品質要求的狀況，會降低接頭強度、韌性、疲勞壽命或耐壓能力。殘留應力與扭曲變形屬於銲接造成的應力與形狀問題；本題另要求列出五種成品缺陷並說明成因。

解題方法

作答時可從銲道內部缺陷、熔合狀況及銲道外形三方面選取常見缺陷，再把每一種缺陷連結到其主要形成條件。以下列出五種常見型態。

1. 氣孔（porosity）

氣孔是銲金屬內部或表面形成的球狀、分散狀或群聚狀空穴。熔融銲池中的氣體未能在金屬凝固前逸出，就會被包覆在銲道內形成氣孔。

常見原因包括：工件表面有油脂、水分、鏽蝕或塗料，受熱後產生氣體；焊條或銲線受潮，帶入氫氣或水蒸氣；保護氣體流量不足、噴嘴堵塞或受風干擾，使空氣進入銲池；銲接速度過快或銲接條件不當，使氣體來不及逸出。

2. 夾渣（slag inclusion）

夾渣是熔渣被包埋在銲道金屬內，形成非金屬夾雜。常見於多層銲道的層間或銲道根部。

主要原因包括：前一道銲道的熔渣未清除乾淨；銲條角度或銲槍操作不當，使熔渣流到熔融銲池前方並被銲金屬覆蓋；銲接電流不足或熱輸入偏低，使熔渣與銲道金屬的分離及浮出不充分；接頭間隙或坡口形狀不利於熔渣排出。

3. 未熔合（lack of fusion）

未熔合是銲金屬未與母材，或未與前一道銲道充分熔合的缺陷。它可出現在側壁、銲道層間或根部，常呈狹長界面狀。

核心觀念

本題比較三種正齒輪輪齒切削法，重點在於辨別「刀具形狀直接形成齒槽」與「刀具、工件依齒輪嚙合關係相對運動而展成齒形」兩種原理，並說明各方法的運動方式、分度方式、適用範圍及生產特色。

• 成形法：刀具刃形與齒槽形狀相對應，直接切出齒槽；成形銑削屬此類。
• 展成法：刀具與齒胚按一定運動關係相對運動，藉由連續切削形成漸開線齒形；齒輪滾削與齒輪刨削屬此類。
• 正齒輪相鄰齒槽的角距為 $360^\circ/z$，其中 $z$ 為齒數。成形銑削須逐槽分度；滾削與刨削則靠刀具、工件的同步運動逐步展成齒形。

解題方法

逐項說明每種方法時，掌握四件事：刀具型式、主要切削運動、齒形形成原理、適用範圍與限制。最後比較成形法與展成法，以及滾削與刨削的差異，即可完整回答「製程與特色」。

（一）成形銑削（form milling）

**製程原理：**使用齒形銑刀，其刀刃輪廓大致對應齒槽的截面形狀。將齒胚裝在分度頭上，銑刀旋轉並沿齒寬方向進給，切出一個齒槽；完成後將齒胚分度，再切下一個齒槽，直到全部齒槽完成。

製程步驟：

1. 依齒輪模數、齒形及齒數範圍選擇相應的齒形銑刀。
2. 將齒胚裝夾定位，設定切削深度。
3. 銑刀沿齒寬方向切削一個齒槽。
4. 以分度頭按齒距角 $360^\circ/z$ 分度，再切削下一槽。

特色與限制：

• 設備及操作較簡單，適合單件、小批量、修配或大型齒輪加工。
• 每次加工一個齒槽，須反覆分度與定位，生產率較低。
• 齒形直接受銑刀刃形影響；常用成套齒形銑刀分擔不同齒數範圍，齒形精度與通用性受刀具及分度精度限制。
• 可加工外齒輪，但大量生產時通常不如展成法有效率。

（二）齒輪滾削（gear hobbing）

**製程原理：**以蝸桿狀的滾刀（hob）作為刀具。滾刀可視為具有螺旋排列切削刃的展成刀具；切削時滾刀與齒胚連續旋轉，兩者依相當於齒輪嚙合的比例同步轉動。滾刀同時作軸向進給，逐步切出齒寬，輪齒形狀由刀具與齒胚的相對展成運動形成。

**運動關係：**若滾刀有 $k$ 頭，齒胚齒數為 $z$，忽略進給運動時，滾刀轉一周，齒胚須轉過相當於 $k$ 個齒距的角度，因此轉數比為：

單頭滾刀時，齒胚每轉一周，滾刀須轉 $z$ 周。加工螺旋齒輪時，還須配合工件螺旋角設定滾刀與齒胚軸線的交角及相應進給。