108 公務人員升官等薦任 機械工程 機械製造學（包括機械材料） 考古題詳解

核心觀念

本題考查塑膠螺桿擠製機中螺桿各功能區的配置與作用。典型單螺桿擠製機的螺桿依物料前進方向分為進料區、熔煉區與計量區，各區以螺槽深度及物料狀態的變化來配合輸送、塑化與穩定供料。

解題方法

依物料通過螺桿時的狀態變化作答：先說明固態粒料如何被輸送，再說明如何受熱、剪切而熔融，最後說明熔體如何均化並穩定送往模頭。答題時同時交代各區的螺槽特點與機能。

各區特點與機能

一、進料區（feed zone）

• 特點：​螺槽深度較大且大致固定，螺桿通常以較深螺槽接收固態塑膠粒料。
• 機能：​將料斗落下的粒料向前輸送，並使粒料逐漸壓實、預熱。熱量主要由料筒加熱器傳入；粒料與螺桿、料筒間的摩擦也會產生熱量。此區的主要任務是穩定輸送固體物料，通常尚未完成熔融。

二、熔煉區（melting zone；又稱壓縮區）

• 特點：​螺槽深度沿物料前進方向逐漸減小，形成壓縮段；固體粒料逐步熔融，固液共存區逐漸轉為熔體。
• 機能：​藉由料筒外部加熱與螺桿旋轉所造成的黏滯剪切熱，使物料升溫、熔融並受到壓縮。熔融通常從靠近熱料筒壁處開始，形成熔膜，螺桿持續剪切並將熔融物料帶向前方。此區負責主要塑化作用，並促進固體與熔體混合。

三、計量區（metering zone）

核心觀念

沖裁是沖壓中的剪切加工。沖頭下壓時，板材先發生彈塑性變形，接著在沖頭與凹模刃口附近形成裂紋；裂紋延伸並會合後，材料分離。毛邊是分離後在工件剪切邊緣留下的薄而尖銳突起，通常出現在板材出口側。

毛邊過多，表示剪切間隙、刃口狀態或模具對準等條件不佳，使裂紋不能在適當位置順利會合，或使刃口剪切品質下降。常用的單邊沖裁間隙可表示為

其中 $c$ 為單邊間隙。適當間隙須依板厚、材料性質及沖裁方式選定。

解題方法

本題可從「間隙是否適當、刃口是否鋒利、模具是否對正、材料與沖壓條件是否合宜」逐項找出毛邊成因，再為每一項配對修正措施。作答至少列出兩組原因與對策；說明成因如何影響剪切，再指出對應的調整方法，即可完整呈現因果關係。

（一）產生毛邊過多的可能原因

1. 沖裁間隙過大 沖頭與凹模刃口間距過大時，板材受剪區的塑性變形範圍增加，裂紋較難在適當位置會合，剪切邊緣容易形成較長、較厚的毛邊。

2. 沖頭或凹模刃口磨耗、鈍化或崩缺 刃口磨鈍後，切削作用減弱，板材受到較多擠壓與撕裂；刃口局部崩缺也會使相應位置的剪切品質變差，造成毛邊增加或分布不均。

3. 沖頭與凹模未對正，或模具導向不良 模具偏心會使周圍間隙不均；間隙較大的區域易產生較嚴重毛邊，間隙較小的區域則承受較大負荷，導致沖裁品質不一致。

4. 沖壓條件或材料狀態不合宜 材料厚度、硬度或延性與模具設定不相配，或沖壓機台、模具剛性不足而在負荷下產生偏移，都會使剪切狀態不穩定，增加毛邊。

（二）修正措施及原因對應

1. 間隙過大：調整沖頭與凹模尺寸或更換合適模具 依板厚與材料性質設定適當的單邊間隙，並檢查實際間隙是否均勻。調整時須避免間隙過小，否則沖裁力上升、刃口磨耗加快，也會降低模具壽命與加工品質。

2. 刃口磨耗或損傷：研磨修整或更換沖頭、凹模 定期檢查刃口，將磨鈍處研磨至鋒利且形狀正確；刃口崩缺、磨耗嚴重時應更換。修整後再確認沖頭與凹模的間隙及刃口對正狀態。

核心觀念

射出成型是將塑膠加熱熔融後，在壓力下射入模穴，經保壓、冷卻固化後脫模。題目要掌握的是：辨認常見成品缺陷，並說明缺陷外觀及其形成原因。缺陷通常與材料流動、模穴排氣、射出與保壓條件、模具設計及冷卻狀況有關。

解題方法

作答時可從成品外觀辨認缺陷，再簡述成因；列舉四種具代表性的缺陷即可。以下以短射、飛邊、縮痕與熔接痕為例。

四種主要缺陷

1. 短射（short shot） 塑料熔融後未能充滿模穴，成品局部缺料、邊角不完整。常見原因包括熔料溫度或模溫過低、射出壓力或速度不足、流道過細、排氣不良，或塑料在充填途中過早冷卻固化。可藉調整射出條件、改善流道與排氣，以及提高適當的料溫或模溫改善。

2. 飛邊（flash） 塑料由模具分模面、滑塊間隙或頂針周圍溢出，形成薄而多餘的邊料。常見原因包括鎖模力不足、射出壓力過高、模具配合面磨損或間隙過大，以及模具表面附著異物。改善方向為確認鎖模力與射出條件，並檢修、清潔模具配合面。

3. 縮痕（sink mark） 成品厚肉處或肋、柱根部表面出現局部凹陷。厚區冷卻較慢，內部收縮時若保壓補料不足，表面便會向內凹陷。可適當提高保壓壓力或延長保壓時間、改善澆口位置與冷卻設計，並避免局部壁厚過大。

核心觀念

本題考查金屬粉末的製造方法，以及各方法的基本原理。金屬粉末是粉末冶金、金屬粉末射出成形（MIM）與金屬積層製造的重要原料；粉末的粒徑、形狀、純度與流動性，會影響後續成形及燒結品質。

解題方法

作答時可先列出三種常見製粉方法，再各自說明如何將金屬轉變為粉末。常見方法包括機械粉碎法、霧化法、化學還原法；另有電解法、羰基法等。

1. 機械粉碎法：利用球磨、研磨或其他機械作用，使脆性金屬或合金破碎成粉末。製得粉末常呈不規則形狀；延性金屬較不易直接粉碎。
2. 霧化法（Atomization）：先將金屬熔融，再以高壓氣體或液體射流打散金屬液流，使液滴冷卻凝固成粉末。氣體霧化粉末通常較接近球形，適用於需要良好流動性的粉末製程；水霧化粉末形狀通常較不規則。
3. 化學還原法：以還原劑或還原性氣氛，將金屬氧化物還原為金屬粉末。例如以氫氣還原氧化鐵，取得鐵粉。粉末形狀與粒度會受原料及還原條件影響。
4. 其他可列方法：電解法是在電解過程中使金屬析出，再收集並處理為粉末；

核心觀念

本題考查塗層（coating）在服役期間的附著與持續保護能力。塗層會因高溫、環境作用或機械負荷而剝落、磨耗、裂化或逐漸變薄。影響其強度與耐久性的主要因素，可從「塗層與基材的結合、塗層本身的性質，以及服役條件」三方面說明。

解題方法

作答時先界定「塗層強度」主要涉及塗層與基材間的附著及塗層承受應力的能力；「耐久性」則著重塗層在使用期間抵抗熱、化學及機械作用而維持功能的能力。據此列出三項因素，並說明各自的影響機制：

1. 塗層與基材的界面結合及表面處理 基材表面的清潔度、粗糙度、氧化物或油污、前處理方式，以及塗覆製程，都會影響塗層的潤濕、機械咬合與界面結合。界面結合不良時，塗層容易起泡、剝離或脫落；適當的清潔與表面活化，以及合宜的塗覆條件，可提高附著強度。

2. 塗層材料與塗層本身的性質 塗層的材料成分、硬度、韌性、孔隙率、厚度，以及耐熱、耐氧化與耐腐蝕能力，會影響其承受磨耗、熱作用及環境侵蝕的能力。塗層過脆容易裂化；孔隙或缺陷過多，腐蝕介質容易穿透；厚度不適當也可能使塗層產生較大殘留應力，導致開裂或剝落。因此，須依使用目的選擇材料及適當厚度。

核心觀念

鑄件凝固與冷卻時，各部位的冷卻速度不同，容易形成不均勻的晶粒與組織、成分偏析、鑄造應力及氣孔等缺陷。鑄件因此常須依材料種類、形狀及使用要求施以適當熱處理，以改善組織與性能、降低殘留應力，並利於後續加工。熱處理不能消除所有鑄造缺陷；例如縮孔、裂縫等重大缺陷通常須另行修補或判廢。

解題方法

作答時可依「消除鑄造造成的問題 → 調整組織與性能 → 配合後續製程」說明：

1. 均勻化處理：將鑄件加熱並保溫，使枝晶間的成分差異與偏析減輕，改善組織均勻性。高合金鑄件常需較長時間的均勻化處理。
2. 退火或正規化：細化或均勻化晶粒、改善鑄態組織，並降低硬度與脆性，使切削加工較容易。實際採用何種處理，須依鋼種、鑄件厚度與所需性能決定。
3. 去應力退火：鑄件各處冷卻收縮不一致，會留下殘留應力，造成變形、開裂或尺寸不穩定。經適當加熱、保溫與緩冷，可降低殘留應力，提升尺寸穩定性。
4. 淬火與回火：對可淬硬的鋼鑄件，淬火可提高硬度與強度；再經回火，可降低淬火造成的脆性與內應力，取得所需的強度、韌性組合。
5. 改善特定合金的性能：部分鑄造合金可藉固溶處理、時效等方式，調整析出物及基體組織，提升強度、硬度或耐磨性。