115 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

放電加工（Electrical Discharge Machining, EDM）是利用工具電極與導電工件之間的脈衝火花放電，使工件局部瞬間受熱、熔融或汽化，再由工作液沖走加工屑的非傳統加工法。材料去除主要靠電能轉為熱能，與傳統切削以刀具剪切、擠壓材料形成切屑不同。

EDM 不必讓工具電極直接接觸工件，也不依賴工件硬度來切削；但工件必須具有導電性。

解題方法

依題目三個提示，分別說明放電與材料去除、電極與工件條件，以及 EDM 和傳統切削的差異。作答時須點出「間隙放電、熱作用去除、工作液排屑」的連續過程，並區分工件極性與工具電極極性。

（一）火花放電形成與材料去除之機制

工具電極與工件保持極小間隙，兩者浸在介電工作液中。加工時，電源施加週期性脈衝電壓；當間隙電場強度足以使工作液局部介電崩潰，便形成放電通道，產生火花與高溫電漿。

放電通道中的高能量集中作用於工件表面，使其局部迅速熔融或汽化。脈衝停止後，放電通道崩解，周圍工作液冷卻工件，並將熔融物與微小加工屑沖離加工區。反覆脈衝放電後，工件表面逐步形成與工具電極形狀相對應的加工輪廓。

加工間隙、放電時間、脈衝電流及工作液排屑狀況，會影響材料去除率、表面粗糙度與加工精度。間隙過小或加工屑排除不良，容易造成電弧、短路或不穩定放電。

（二）電極與工件之極性與材料條件

1. **材料條件：**工件必須導電，才能在電極與工件間建立放電迴路。因此 EDM 可加工高硬度、韌性高或熱處理後的導電材料，但不能直接加工絕緣材料。

2. **電極與工件的極性：**工具電極與工件分別接至電源的正、負極，形成陽極與陰極。材料去除量與電極損耗會受極性、脈衝條件、放電時間及材料性質影響。實際極性安排須配合加工條件與所需的加工效率、精度及工具電極損耗；不可一概認定某一極性配置適用於所有 EDM 作業。

核心觀念

本題比較的是同一材料經冷加工與熱加工成形後的典型差異，重點來自加工溫度相對於材料再結晶溫度的不同。冷加工在再結晶溫度以下進行，塑性變形會造成加工硬化；熱加工在再結晶溫度以上進行，變形期間的再結晶可消除或大幅降低加工硬化。

解題方法

依序比較題目指定的四項：機械性質、內部應力、尺寸精度及成形阻力。冷、熱加工的材料狀態不同，因此比較時要連結到加工硬化、再結晶、熱收縮及流動應力等成形原理。以下比較以成形後未另行熱處理或精加工為前提。

四方面差異

核心觀念

本題考查金屬加工完成後的表面機械處理。這些方法以撞擊、滾壓或爆炸衝擊，使工件表層產生塑性變形；常見效果包括表面加工硬化、降低粗糙度、形成殘留壓縮應力，進而提升耐磨性與疲勞強度。

四種方法中，珠擊法與爆炸硬化法主要藉由高速衝擊處理表面；滾輪磨光與滾珠法則以硬質工具在表面滾壓，使凸起處塑性變形而趨於平整。

解題方法

依序說明每種方法的施作方式、表層變化、主要效果及適用特性，並比較它們如何將機械能傳入金屬表層。作答時要指出：這些方法主要改變表面層的狀態，並非靠切削去除材料。

一、珠擊法（Shot Peening）

以高速氣流、離心力等方式，將鋼珠、玻璃珠或切線鋼絲等小顆粒反覆噴射撞擊工件表面。每次撞擊都使撞擊點局部塑性變形；表層受到周圍未變形材料約束後，形成殘留壓縮應力，並伴隨表面加工硬化。

珠擊法可提高零件的疲勞強度與抗應力腐蝕能力，常用於彈簧、齒輪、渦輪葉片等承受反覆應力的零件。處理效果受珠粒尺寸、速度、覆蓋率及處理時間影響；處理過度可能造成表面粗化或零件尺寸、形狀改變。

二、滾輪磨光（Roller Burnishing）

以淬硬且表面光滑的滾輪，在一定壓力下沿工件表面滾動。表面微凸峰受壓後產生塑性流動，材料被推向凹谷，使表面趨於平滑；同時表層會加工硬化，並形成有利的殘留壓縮應力。

滾輪磨光常用於軸、圓柱面、孔面等規則表面，可改善表面粗糙度、尺寸一致性及耐磨與疲勞性能。它不以切屑去除材料，而是藉由表面金屬的塑性流動改善表面狀態。若壓力或加工量不當，可能造成表面剝落、尺寸偏差或形狀失真。

三、滾珠法（Ball Burnishing）

以硬質、光滑的球體在工件表面施壓並滾動，使表層微凸峰塑性變形並被壓平。其基本原理與滾輪磨光相同，差別在於施力工具為球體，接觸區域較集中，可應用於曲面、複雜表面或局部區域；也可用球體通過孔內表面進行滾光。

核心觀念

焊道強度是指焊接接頭承受拉伸、剪切、彎曲或疲勞等載荷而不破壞的能力。它不只取決於填入多少焊材，也受母材、焊接程序、接頭設計、焊道形狀與缺陷等影響。評估時須同時考慮有效承載面積與材料本身的強度，以及應力集中、殘留應力等因素。

解題方法

本題要求列舉並說明至少五項因素，可依「材料與設計、製程與操作、焊後品質」分類作答。每項說明因素如何改變焊道的有效截面、組織性質或局部應力，即能完整呈現其與強度的關係。

影響焊道強度的因素

1. 母材與填料金屬的性質 母材及填料金屬的強度、韌性、延性與化學成分會影響接頭承載能力。填料金屬強度過低時，焊道可能先於母材破壞；若焊道過硬或韌性不足，則較容易脆裂。異種材料焊接時，兩側材料性質與熱膨脹差異也會增加接頭的應力與破壞風險。

2. 接頭設計與有效焊接面積 接頭形式、坡口角度、根部間隙、焊腳尺寸及熔深會影響有效承載面積。以角焊道為例，其有效喉厚決定主要承載截面；喉厚不足、熔深不足或未焊透，都會減少有效面積，使局部應力升高。焊道尺寸也不是越大越好，過度增大可能造成較大熱影響與殘留應力。

3. 焊接電流、電壓與焊接速度 這些參數共同決定熱輸入。熱輸入不足時，容易產生未熔合、未焊透等缺陷；熱輸入過高時，可能造成晶粒粗化、燒穿、變形或熱影響區韌性下降。電流、電壓與速度須配合焊接方法、材料及板厚適當控制。

4. 焊接操作與熔合狀況 電弧長度、焊條或焊槍角度、運條方式及層間清理會影響熔池控制與焊道成形。操作不當可造成咬邊、搭疊、氣孔或夾渣；

核心觀念

本題比較金屬粉末射出成型（Metal Injection Molding, MIM）與傳統粉末冶金（Conventional Powder Metallurgy, PM）的製程特性。兩者都以金屬粉末為原料，並以燒結使粉末顆粒結合；關鍵差異在於：MIM 將細粉與黏結劑混成喂料後射出成形，傳統 PM 則將較粗的粉末裝入模具，以壓製成形。

MIM 的典型流程為「金屬粉末與黏結劑混煉 → 射出成形 → 脫脂 → 燒結」；傳統 PM 的典型流程為「金屬粉末裝模 → 壓製成形 → 燒結」。

解題方法

依題目列出的四項特性逐一比較，並以「成形機制 → 粉末特性 → 燒結後孔隙與性能 → 可製造形狀及尺寸控制」作為判斷順序。作答時宜同時交代差異及其原因，避免只列「MIM 較好」而沒有製程依據。

四項特性比較

（一）成形方式