109 專技高考高等考試 機械工程技師 機械製造 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩部分：一是刀具材料的高溫硬度如何影響切削，以及如何依工件材料選刀；二是正交切削的二維力學假設，以及刀具前角、餘隙角的幾何定義。

刀具切削時，刀尖因塑性變形、摩擦與剪切而升溫。**高溫硬度（red hardness，紅硬性）**是刀具材料在高溫下仍維持硬度、抗磨耗與切削能力的性質。紅硬性愈佳，刀具在較高切削溫度下愈不易軟化，可容許較高切削速度，並有助於維持刀具壽命與尺寸精度。

常用刀具材料的耐熱與紅硬性大致由低至高為：碳工具鋼、高速鋼、燒結碳化物、陶瓷、立方氮化硼（CBN）。材料選用仍須同時考慮工件硬度與韌性、切削速度、是否斷續切削、刀具韌性、加工精度及成本。

解題方法

先以工件材料與加工條件判斷所需的刀具性能：軟質、有延展性的銅合金，重視刀刃鋒利、排屑與防止積屑瘤；高硬度模具鋼則更重視紅硬性、耐磨耗，以及刀具承受硬質材料切削的能力。再用正交切削的幾何關係定義前角與餘隙角。

（一）紅硬性與刀具材料選擇

紅硬性會限制刀具可採用的切削速度。切削速度提高時，切削區溫度通常升高；若刀具高溫硬度不足，刀刃會軟化、磨耗加劇，造成切削力上升、尺寸精度下降，甚至快速失效。因此，高速加工或切削高硬度材料時，通常需選用紅硬性較佳的刀具材料。

銅合金：

銅及多數銅合金硬度較低、延展性佳，切削時容易形成連續切屑，且部分合金容易產生積屑瘤。一般加工可選用鋒利的高速鋼刀具；大量生產或切削較硬、含矽等較具磨耗性的銅合金時，可選用燒結碳化物刀具，以提高耐磨耗性與生產效率。

選刀時要考慮銅合金的種類、硬度與磨耗性，以及加工是低速單件或高速大量生產。刀具宜保持鋒利並採適當正前角，以降低切削力、改善排屑並減少積屑瘤。金剛石刀具可用於適合的非鐵金屬精密加工，但通常不拿來切削鐵系材料。

模具鋼：

模具鋼的硬度與合金成分依材種及熱處理狀態而異；淬硬模具鋼切削時，刀具需有良好紅硬性及耐磨耗性。一般加工可採用燒結碳化物，必要時使用具有耐熱、耐磨塗層的碳化物刀具。對高硬度、適合高速加工的淬硬鋼，可考慮陶瓷或 CBN 刀具；其中 CBN 常用於淬硬鋼的精加工。

選刀時須考慮模具鋼的硬度、熱處理狀態、切削速度、加工餘量及加工是否斷續。陶瓷與 CBN 紅硬性、耐磨性佳，但韌性及抗衝擊能力通常低於碳化物；

核心觀念

本題分別考查大型機械鑄件的材料與砂模鑄造，以及薄壁鎂合金外殼的壓鑄製程。作答時應把材料特性與製程選擇連起來：工具機底座重視阻尼、剛性及尺寸穩定；筆電外殼則重視薄壁充填、重量及量產效率。

（一）大型龍門型工具機底座

材料特性

大型工具機底座常用灰口鑄鐵，也就是具有片狀石墨的鑄鐵。常見材料包括 FC 系列灰口鑄鐵；實際牌號依設計所需強度、尺寸及製造條件選定。

• **阻尼能力佳：**片狀石墨可吸收振動能量，有助於降低切削振動，維持加工精度與表面品質。
• **鑄造性佳：**鐵液流動性良好，適合製作形狀複雜、具有肋與內腔的大型底座。
• **耐磨與加工性良好：**適當的基體組織配合石墨潤滑作用，利於導引面等部位的加工與使用。
• **抗壓能力佳，但抗拉與抗衝擊能力較低：**片狀石墨會造成應力集中，因此設計上須避免尖角、突變截面及不利的拉伸受力。
• **尺寸穩定性佳：**大型鑄件經適當冷卻及時效處理後，可降低殘留應力引起的變形。

砂模鑄造方法與流程

大型底座常採砂模鑄造，例如地坑造模或大型砂箱造模，配合型芯形成內腔。砂模可用樹脂砂等適合大型鑄件的砂模系統；選擇時須兼顧砂模強度、排氣性、耐火性及鑄件尺寸。

典型流程如下：

1. **設計鑄件與鑄造方案：**依底座形狀配置分模面、加工餘量、拔模斜度、肋板、內澆道、冒口及排氣位置。
2. **製作模型與型芯：**模型呈現鑄件外形，型芯形成內腔、孔道或凹部；大型型芯須有足夠強度及定位支撐。
3. **造模與合模：**將造模砂填實並形成型腔，安裝型芯後合模；確認砂模與型芯排氣通道暢通。
4. **熔解與澆注：**熔解鑄鐵，依規範調整成分與溫度；澆注系統應使鐵液平穩充填，降低捲氣、夾渣與沖砂。灰口鑄鐵常配合孕育處理，以促進石墨化並控制組織。
5. **凝固與冷卻：**依鑄件厚薄及冒口配置控制補縮與冷卻，避免縮孔、縮鬆、冷隔及過大溫差造成的裂紋或變形。
6. **落砂與清理：**鑄件冷卻後落砂、取出型芯，清除澆冒口及表面附著物。
7. **檢查與時效：**檢查外觀及必要的內部缺陷；大型鑄件可進行人工時效或自然時效，以降低殘留應力。
8. **粗加工與精加工：**先粗加工並安排必要的應力穩定處理，再加工導引面與安裝面等關鍵部位，控制尺寸與幾何精度。

（二）薄型筆記型電腦外殼的鎂鋁合金壓鑄

製程選擇與流程

核心觀念

本題考查兩種板材與金屬成形製程的差異：金屬擠製以壓縮力使材料通過模具開口，製成具有固定截面形狀的長形產品；深抽拉則以沖頭將板材毛胚拉入模穴，形成杯狀或箱狀的中空薄殼。作答時應交代各自的材料流動方式、模具與主要成品特徵，並舉出工業產品。

解題方法

一、金屬擠製（extruding）

將金屬坯料置於擠製筒內，由沖頭施加壓力，使材料經模具孔口流出而形成所需截面的長材。材料在製程中主要承受壓縮應力，因此適合加工延性金屬；模孔形狀決定成品的橫截面，沿長度方向則保持大致相同的截面形狀。

擠製可依材料與設備溫度分為熱擠製、溫擠製及冷擠製；依材料流動相對於沖頭方向，常見有直接擠製與間接擠製。作答重點是說清楚「坯料受壓、通過模孔、形成等截面長材」。

工業產品例：鋁門窗及散熱器用鋁擠型材、銅或鋁製管材。

二、深抽拉（deep drawing）

核心觀念

本題考查兩部分：一般工業塑膠的分類與特性，以及以電視遙控器電池蓋為例，說明射出成型流程和模具設計要點。電池蓋是薄壁、外形複雜且需與遙控器本體配合的塑膠件，適合以熱塑性塑膠射出成型大量生產。

一般工業塑膠材料種類（5 分）

塑膠可依受熱後的行為分為兩大類：

1. 熱塑性塑膠：加熱軟化、冷卻硬化，可反覆塑化成型，常用於射出成型。常見材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）及聚醯胺（PA，尼龍）。
2. 熱固性塑膠：加熱成型並固化後形成交聯結構，再加熱不會重新熔融，不能以一般熱塑性塑膠方式回收重熔。常見材料包括酚醛樹脂（PF）、尿素甲醛樹脂（UF）、環氧樹脂（EP）及不飽和聚酯樹脂（UP）。

工業塑膠亦常依性能及用途分為泛用塑膠、工程塑膠與高性能塑膠。例如 PE、PP、PS、PVC 屬泛用塑膠；ABS、PC、PA、聚甲醛（POM）常列為工程塑膠；聚醚醚酮（PEEK）等則屬高性能塑膠。此分類與熱塑性／熱固性分類的依據不同，作答時宜分別說明。

射出成型製程（10 分）

**解題方法：**依材料從粒料進入機台，到成品取出的順序說明，並連結電池蓋的薄壁外形與配合需求。電池蓋通常採用熱塑性材料，例如 ABS 或 PP；實際選材須兼顧外觀、韌性、尺寸穩定性及成本。

1. 塑料準備與供料：依材料要求乾燥粒料，避免水分造成銀絲、氣泡或表面缺陷；將粒料投入料斗。
2. 塑化與計量：螺桿旋轉，將粒料向前輸送；粒料經加熱料筒加熱、剪切摩擦而熔融均化，並在螺桿前端累積成定量熔膠。
3. 合模與鎖模：模具閉合並施加足夠鎖模力，以抵抗射出時的模腔壓力，避免分模面張開及產生毛邊。
4. 射出充填：螺桿向前推進，將熔膠經噴嘴、主流道、分流道及澆口高速注入模穴，形成電池蓋外形及卡扣等特徵。
5. 保壓與補料：熔膠充滿模穴後繼續施加保壓，補償冷卻收縮，降低縮痕並維持尺寸。
6. 冷卻固化與螺桿回料：模具冷卻水道帶走熱量，使塑件固化；同時螺桿旋轉準備下一次射出用料。
7. 開模與頂出：塑件達到足以脫模的剛性後開模，由頂針或頂出機構將電池蓋推出。