112 專技高考高等考試 機械工程技師 機械製造 考古題詳解
第 一 題25 分
半固態鑄造（semi-solid casting）可分為觸變鑄造（thixocasting）和流變鑄造（rheocasting）兩大類，請回答下列問題：
(一) 分別說明兩者的工作原理。
(二) 比較兩者的同異點，並說明是否具再利用的特點。
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核心觀念
半固態鑄造是在金屬處於固、液共存的半固態溫度區間時成形。此時合金內有一定比例的固相與液相，固相呈近球狀或非枝晶狀，液相則填入固相顆粒間隙並提供流動性。與完全熔融金屬相比，半固態金屬流動較平穩、紊流與捲氣較少，也能降低凝固收縮與熱裂傾向。
觸變鑄造與流變鑄造的主要區別，在於半固態漿料的製備方式：觸變鑄造先製成半固態坯料，之後再加熱至成形所需的固液共存狀態；流變鑄造則由熔湯直接製備半固態漿料並立即成形。
解題方法
作答時先依「半固態漿料從何而來、成形前是否先製成坯料」分辨兩種製程，再比較其共同的半固態成形特性、流程差異與再利用方式。
（一）工作原理
觸變鑄造（thixocasting）
先將合金熔湯以受控方式凝固，製成具有細小、近球狀固相組織的半固態坯料，或先製成特定合金坯料，再將坯料切段並重新加熱至固、液共存的半固態溫度。加熱後，坯料中的固相顆粒分散於液相中；施加剪切或射出壓力時，漿料黏度下降並流入模穴，填滿模穴後冷卻凝固而成形。
其流程可概括為：
流變鑄造（rheocasting）
由合金熔湯直接降溫至液相線與固相線之間，並以攪拌、剪切或其他受控方式促進形核與破碎枝晶，形成固相顆粒分散於液相中的半固態漿料。漿料製備完成後，不先製成坯料，而是直接送入模穴成形，再冷卻凝固。
其流程可概括為：
（二）異同點與再利用特點
共同點
第 二 題25 分
液壓成形（hydroforming）是金屬成形（metal forming）的重要成形方法之一，請回答下列問題：
(一) 說明什麼是板材液壓成形（sheet hydroforming）。
(二) 說明板材液壓成形的特點。
(三) 在管材液壓成形（tube hydroforming）過程中，說明端塞（end plug）向內移動的目的為何？
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核心觀念
本題考查液壓成形中板材與管材的基本成形原理，以及管材成形時端塞的補料作用。液壓成形利用液體壓力使金屬工件貼合模具或改變形狀；板材液壓成形以液壓支撐或驅動板材，管材液壓成形則由管內壓力使管壁膨脹，並配合端部軸向進料控制成形。
解題方法
作答時先說明板材液壓成形的工件、液壓介質與模具如何配合，再整理其成形特點；最後從「端塞向內移動會把管端材料推入成形區」切入，說明其對材料供應與壁厚控制的作用。
（一）板材液壓成形
板材液壓成形（sheet hydroforming）是以液體壓力作為成形力，使金屬板材變形並貼合模具型面的成形方法。常見方式是將板材置於模具與液壓室之間，以液壓取代傳統剛性沖頭直接施力；加壓液體支撐或推壓板材，使其逐步成形。依設備與模具配置，可由液體直接使板材貼合模穴，也可利用液壓室作為柔性介質，配合模具完成成形。
（二）板材液壓成形的特點
- 壓力分布較均勻：液體可對板材施加分布式壓力，減少局部集中受力，有助於板材平順貼模。
- 成形性較佳：適當控制液壓與成形行程，可減少皺摺、破裂等缺陷，並有利於製作較深或形狀較複雜的零件。
- 表面品質較好：液體介於板材與模具間時，可降低直接接觸造成的表面刮傷；
第 三 題25 分
CNC 車床使用碳化鎢刀具（tungsten carbide tool）車削勃氏硬度 的普通中碳鋼。圓桿一次車削，從直徑 車削至 ；選用的表面切削速度和進給率分別為 和 。切削普通中碳鋼的單位馬力為 。請計算：
(一) 主軸轉速（spindle speed）。
(二) 材料移除率（material removal rate）。
(三) 刀具需求馬力（required horsepower at cutter）。
(四) 馬達需求馬力（required horsepower at motor）。
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核心觀念
本題考查車削的主軸轉速、材料移除率（MRR）與切削功率。切削深度是半徑方向的切除量，因此由直徑差的一半求得：
其中 為原始直徑， 為車削後直徑。
解題方法
（一）主軸轉速
車削時表面切削速度與主軸轉速的關係為：
故以原始直徑計算主軸轉速：
（二）材料移除率
以切削速度換算成每分鐘行進距離，再乘上進給率及切削深度：
這是車削題常用的近似計算式；其假設切削區的表面速度以題給切削速度表示。
（三）刀具需求馬力
第 四 題25 分
摩擦攪拌銲接（friction stir welding, FSW）應用在電動車電池殼的接合，以確保殼體的水密性，請回答下列問題：
(一) 說明摩擦攪拌銲接的工作原理。
(二) 說明摩擦攪拌銲接的優缺點。
(三) 說明摩擦攪拌銲接與摩擦銲接有何不同。
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核心觀念
本題考查固相接合中的摩擦攪拌銲接（FSW）原理、製程特性，以及它與摩擦銲接的差異。FSW 使用高速旋轉的工具，讓工具與工件接觸產生摩擦熱，使接合區材料軟化，再由工具肩部與攪拌針攪拌、擠壓材料，使接縫形成牢固接合。工件材料不必熔化，因此 FSW 屬於固相銲接。
解題方法
作答時可依序說明「熱如何產生、材料如何流動、接頭如何形成」，再從品質、設備、材料適用性等面向整理優缺點。比較兩種製程時，抓住工具形式與接合材料的相對運動方式：FSW 以旋轉工具沿接縫行進；摩擦銲接則主要以工件彼此相對旋轉或摩擦，並在軸向加壓下接合。
（一）摩擦攪拌銲接的工作原理
FSW 的工具通常由工具肩部與攪拌針組成。接合時，工件以夾具固定，旋轉中的工具垂直插入接縫，使攪拌針進入接合界面附近，工具肩部則壓住工件表面。
工具與工件間的摩擦，以及材料受攪拌變形所產生的熱，使接合區升溫、軟化，但通常不達材料熔點。接著，工具沿接縫方向前進，攪拌針帶動軟化材料流動，肩部則限制材料外溢並提供鍛壓作用；材料在工具後方重新混合、填補接縫，冷卻後形成連續接頭。
由於材料未經熔化與凝固，FSW 可減少熔融銲接常見的凝固缺陷與較大的熱變形。為避免工具移動時工件分離或接縫張開，工件必須妥善夾持與支撐。
（二）摩擦攪拌銲接的優缺點
優點
- 接頭品質佳： 固相接合不經熔化凝固，可降低氣孔、凝固裂紋等熔融銲接缺陷。
- 熱變形與殘留應力較小： 熱輸入通常低於熔融銲接，適合對尺寸精度有要求的板件與殼體。
- 適用於難以熔融銲接的材料： 尤其適合鋁合金，也可用於部分其他金屬及異種材料組合；適用性仍受材料、厚度與工具條件限制。
- 製程穩定且易於自動化： 工具沿固定接縫移動，適合長直縫及重複性生產。
- 銲接過程通常不需填料金屬或保護氣體： 可簡化部分耗材與氣體供應需求。
缺點
- 需要背襯與牢固夾持： 工件須承受工具施加的下壓力及行進力，夾治具設計要求較高。
- 接縫與工具路徑受限制： 常用於可供工具沿線行進的接合位置；複雜曲線、狹窄區域及封閉結構較難加工。
- 工具會磨耗： 工具材料須能承受高溫與摩擦，銲接高硬度材料時工具磨耗尤其顯著。