機械製造學 申論題歷屆試題與參考架構

地方特考三等,民國 102~114 年共 13 份試卷、70 題,其中 69 題附參考答題架構。考這一科的類科:機械工程。本頁列出歷年全部題目,參考架構只列開頭的「破題」,完整的答題架構、關鍵字與作答提醒請到站內查看。

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114 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試說明下列那一種加工法最適合用來製造銅電線:鑄造、擠製、拉製或鍛造,並說明你選擇的理由與其加工流程。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    製造長尺寸且截面均勻之細銅導線,拉製加工法(Wire drawing)為最佳選擇,其兼具優異之尺寸公差、表面光潔度及冷作強化效應。

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  2. 2

    試比較冷室壓鑄(cold chamber die casting)與熱室壓鑄(hot chamber die casting)之差異,包括壓鑄機結構、適用的金屬材料及生產效率等。 (20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    壓鑄為高效率精密鑄造法,熱室與冷室壓鑄之核心差異在於射出系統是否與熔湯容器整合,直接決定了其適用金屬熔點、耐蝕要求與生產節拍。

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  3. 3

    泰勒刀具壽命公式可表示為 VT n  C ,試說明切削加工時,該刀具壽命公式中的 n 值高或低,何者有利於加工?而 C 值高或低,何者有利於加工?(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    題目公式應為泰勒刀具壽命方程式 VT^n = C(V 為切削速度、T 為刀具壽命、n 為刀具壽命指數、C 為常數)。答題核心:n 值越高越有利(壽命對速度較不敏感,可用較高速度),C 值越高越有利(同樣壽命下可用的切削速度較高)。先寫出公式與符號定義,再分別從物理意義與對數圖解釋。

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  4. 4

    試列舉並說明切削溫度過高會對於加工後產品造成那些不良的影響。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    金屬切削過程中的塑性變形與摩擦熱若無法即時散逸,造成切削區溫度過高,將對加工成品之幾何尺寸、表層物理冶金特性及使用壽命造成嚴重劣質化。

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  5. 5

    試分別說明珠擊(shot peening)及雷射噴擊(laser shot peening)的作法以及原理。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    珠擊與雷射噴擊均屬利用表面局部塑性變形引入殘留壓應力之機械表面強化技術,可有效閉合表面微裂紋並顯著延長金屬構件之疲勞壽命。

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113 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試說明軟銲(Soft soldering)及硬銲(Hard soldering)之差異,及兩者的優缺點與應用。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    軟銲與硬銲皆屬於毛細作用填料接合製程,母材均不熔化,兩者主要以接合溫度界線(攝氏四百五十度)區隔,在結合強度與應用範疇上各有定位。

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  2. 2

    試描述何謂電腦輔助設計/電腦輔助製造(CAD/CAM)、彈性製造系統(FMS)及電腦整合製造(CIM)。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    CAD/CAM、FMS與CIM為現代自動化製造體系中由點、線至面的三層次數位智動化架構,代表電腦科技在製造業整合發展之進程。

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  3. 3

    試說明粉末冶金過程中所需要的步驟及其各步驟目的。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    粉末冶金(Powder Metallurgy, PM)係以微細金屬粉末為原料,經成型與燒結固化之少無切削近淨形製程,特別適用於高熔點金屬或自潤軸承等特殊機能零件之量產。

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  4. 4

    請列出鑄造前會考慮的鑄件設計原則。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    鑄件設計之良窳直接決定鑄件品質、缺陷率與模具製作難易度,設計原則須全盤考量液態金屬流動充填、凝固收縮冶金行為及後續脫模與加工需求。

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  5. 5

    如下圖所示,請完成車刀刀角各個位置之名稱(A~F),並說明其主要功用。(20 分)車刀各刀角位置

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題是單鋒車刀的刀角辨識。圖中上方為俯視圖(顯示切刃角),左下為從刀尖端看的正視圖(顯示邊斜角與邊間隙角),右下為側視圖(顯示後斜角與前間隙角)。作答依 A~F 逐一寫出名稱、量測位置與主要功用,最後補一句各角度過大或過小的影響。

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112 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    請計算車削不銹鋼圓棒時,車床須提供的最小馬力為何?請以 kW 為單位表示。製程參數如下:切削速度(cutting speed)200 m/min、進給(feed)0.25 mm/rev、切深(depth of cut)7.5 mm、比切削能 2.8 GJ/m3、車床的機械效率值(mechanical efficiency)為 0.9。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    車床所需切削馬力取決於材料切除率(MRR)、工件材料之比切削能(Specific energy)以及工具機主軸系統之機械傳動效率。

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  2. 2

    請列舉兩種沖切下料(blanking)製程中,工件產生毛邊(burrs)的原因,並說明改善的方法。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    沖切下料中毛邊(Burrs)為工件邊緣不可避免之微觀凸起缺陷,主要導因於剪切力學狀態失衡造成板料破裂裂紋無法平順交會。

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  3. 3

    試說明包模鑄造法(investment casting)製程,並列舉該製程至少三個優點。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    包模鑄造法(Investment casting)又稱脫蠟鑄造,為歷史悠久且極度精密的無分模面鑄造技術,以陶瓷模殼燒結成形,能生產高熔點合金之複雜近淨形工件。

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  4. 4

    (一)試說明硬度試驗的原理。並說明勃氏硬度的測定方法。(10 分)

    (二)試說明衝擊試驗的原理與測定方法。(10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    材料力學性質試驗為品質保證與設計選材之核心依據,硬度試驗著重局部抗塑性壓痕變形能力,衝擊試驗則評估動態衝擊韌性與脆裂敏感度。

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  5. 5

    試說明雷射加工(laser machining)的原理,並列舉至少三個該加工上的限制或缺點。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    雷射加工(Laser Beam Machining, LBM)係利用高度聚焦之光子束能量密度將材料瞬間熔融氣化之非傳統熱加工技術,特別適用於極硬脆弱材料或微細孔道之無接觸切削。

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111 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    金屬材料 承受 冷作加工 後的 實際應力 -實際 應變關係 可以 σ = 表示,其中σ=實際應力、 =強度係數或是應變強化係數、ε=實際塑性應變、 =應變強化指數(同終極應變) 。一退火鋼材承受拉伸冷作前的橫斷面積 = 、降伏強度 =220 MPa、終極強度 =341 MPa、破壞強度 =628 MPa、 =620 MPa、 =0.25、破壞應變 =1.05,若此鋼材承受15%冷作後,其橫斷面積 = ,試求:

    (一) 。(6 分)

    (二)冷作後的實際應變。(6 分)

    (三)冷作後的降伏強度。(6 分)

    (四)最大的冷作%。(7 分)

    (25 分)

  2. 2

    有一數值工具機的床台由伺服馬達結合雙螺紋導螺桿和光學編碼器提供動力。導螺桿的螺距為 5.0 mm,馬達每轉 16 圈導螺桿轉 1 圈;光學編碼器直接連接到導螺桿,每轉 1 圈產生 200 個脈衝。若床台必須以 500 mm/min 的進給速率移動距離 100 mm,試求:

    (一)馬達的轉動圈數。 (6 分)

    (二)控制系統接收到的脈衝計數。(6 分)

    (三)脈衝的頻率。(6 分)

    (四)伺服馬達的轉速。 (7 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    數值工具機進給伺服驅動系統計算涉及機構減速比、導螺桿導程幾何運動學,以及編碼器脈衝解析度與控制頻率之電機控制理論整合。

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  3. 3

    利用精密平台上一正弦桿(Sine bar)量測一工件的角度為 A,該角度的規格為 35.0±1.8°。若配合一組可以形成高度 H=10.0000 至 199.9975 mm、增量為 0.0025 mm 的高度塊規(Gage blocks)模組,正弦桿的長度L=200.00 mm、正弦桿輥(Roll)的直徑=30.0 mm,試求:

    (一)繪出此正弦桿量測裝置示意圖;並標示出 A、H、L。(6 分)

    (二)量測工件最小角度的高度塊規高度。(6 分)

    (三)量測工件最大角度的高度塊規高度。(6 分)

    (四)可以在公稱角度規格下設置的最小角度增量。(7 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    正弦桿(Sine bar)為利用正弦三角函數原理將微小線性尺寸差轉換為高精度角度量測之精密量具,透過塊規精確控制支承高差。

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  4. 4

    在一數值工具機上沿著平行於床台軸之一的方向進行銑削,總行程=300 mm、切削速度=1.25 m/s 和刀具每齒的切屑負載(Chip load)=0.05 mm;並且端銑刀有 4 齒,其直徑=20.0 mm。若該軸連結使用一直流伺服馬達,其輸出軸連接到螺距=6.0 mm 的導螺桿,伺服馬達的反饋傳感裝置是每 1 轉發出 250 個脈衝的光學編碼器,試求:

    (一)主軸轉速。(6 分)

    (二)進給速度。(6 分)

    (三)銑削所需時間。(6 分)

    (四)伺服馬達的轉速與編碼器的脈衝頻率。(7 分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    數值工具機銑削加工計算涵蓋金屬切削參數之轉速、進給率換算,以及機電驅動端導螺桿線速度與光學編碼器脈衝頻率之精準匹配。

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110 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試比較鋁合金 T3 熱處理和 T6 熱處理的差異。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    鋁合金 T3 與 T6 熱處理均屬於析出硬化(沉澱硬化)調質工藝,兩者關鍵差異在於時效機制是結合冷作之「自然時效」,抑或直接加熱之「人工時效」。

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  2. 2

    試比較銑削(milling)加工刀具和研磨(grinding)加工砂輪的主要差異。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    銑削刀具與研磨砂輪為機械加工中具代表性之「明確幾何單/多刃切削」與「隨機分佈微細磨粒切削」兩大材料去除加工系統。

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  3. 3

    試說明溫間加工(warm working)的主要加工溫度區間。另外,相較於冷加工,溫間加工為什麼可以降低高強度合金工件的回彈量,獲得較佳尺寸精度?(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    溫間加工為兼具冷作尺寸精度與熱作低變形阻力之塑性加工技術,透過溫度適度提升大幅降低材料降伏強度,從而根本抑制高強度合金之彈性回彈量。

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  4. 4

    試比較捲邊焊接(flange welding)和堆焊(surfacing welding)的主要相同與差異。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題探討熔融焊接技術中接合取向的捲邊焊接與表面改質取向的堆焊。答題應開門見山點出兩者同屬利用熱源使金屬熔融之焊接加工,但核心目的、接頭形態、填料需求與應用工況截然不同,並以條理化之相同點與相異點對比架構進行完整論述。

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  5. 5

    試說明放電加工時電源頻率對工件移除速率、工件表面粗糙度與過切(overcut)的影響。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題探討放電加工(EDM)中電源脈衝頻率對加工特性之核心影響。答題應首先建立放電頻率與單次放電脈衝能量之反比物理關係,進而由單一放電凹坑(Crater)尺寸與放電間隙機制,逐項剖析工件移除速率、表面粗糙度及過切量之變化規律。

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109 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    對於純金屬材料和合金材料之加熱或冷卻曲線圖,請說明:

    (一)這兩種曲線圖之實驗設備圖和實驗步驟。 (20分)

    (二)過冷卻(Supercooling)的定義。(5分)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題應把實驗裝置、量測步驟與曲線判讀連成一體,並以純金屬定溫相變、合金凝固溫度範圍的差異,說明過冷與回溫現象。

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  2. 2

    在產學界廣泛使用圓環壓縮試驗法來預測工具與工件之間的摩擦係數,請說明:

    (一)圓環壓縮試驗的程序。(10分)

    (二)圓環壓縮試驗的優點。(5分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    圓環壓縮試驗是利用環形試片受壓時內徑對摩擦極敏感的特性,將量得的高度與內徑變化,對照校正曲線反求工具—工件界面摩擦。

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  3. 3

    金屬切削過程中產生不連續切屑(Discontinuous chips),請說明:

    (一)其形成條件。(10分)

    (二)其對工件和刀具之不良影響。(10分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    不連續切屑是切削層週期性剪裂、分離而形成的短片狀切屑;作答宜先按工件、刀具及切削條件交代成因,再由週期性切削力連結表面品質、尺寸精度與刀具壽命。

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  4. 4

    交通部臺灣鐵路管理局檢討鋼軌斷裂案,建議使用閃光對焊法(Flash butt welding)來改善鋼軌焊接強度。請繪圖說明閃光對焊法之焊接程序。(20分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    閃光對焊屬電阻對接焊,利用兩鋼軌端面間歇接觸所產生的電阻熱與電弧閃光,使全截面均勻達塑化狀態,再以大軸向頂鍛力排出氧化物並完成固相接合。

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  5. 5

    在電阻焊接情況下,請說明:

    (一)兩工件之間所形成的焊核(nugget)直徑大小之影響因素。(10分)

    (二)一般以兩工件之間的電阻值為最大的原因。(10分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    電阻點焊的焊核尺寸取決於界面生熱與向電極、板材散熱的競爭;核心式可寫成熱量與電流平方、通電時間及電阻成正比,再逐項分析電氣、機械、材料與幾何因素。

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108 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    將兩支直徑 12.5 mm、長度 120 mm 的不鏽鋼棒分別使用拉伸、車削加工兩種加工法製成直徑 12 mm 的成品。試計算分別需要作多少功?(材料變形以工程應變計算,材料為理想塑性、材料強度為 K = 1500 MPa、n = 0、比切削能 = 4 W.s / mm3)(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題須先分清兩種功的來源:拉伸成形功為流動應力對塑性應變與材料體積的積分;車削功為移除體積乘比切削能。題目指定工程應變且材料為理想塑性,應依該假設計算,不另套加工效率。

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  2. 2

    試比較砂模鑄造與壓鑄法之差異,包括模具材料、生產效率及鑄件特徵等。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    比較題宜以同一組面向逐項對照:砂模是一次性砂型、重力或低壓充填,勝在彈性與大型複雜件;壓鑄是金屬永久模配合高壓高速射出,勝在大量生產、薄壁、精度與表面。

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  3. 3

    試列出輥軋製程時,輥輪高轉速與低轉速分別之優缺點?(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    輥輪轉速的利弊須由生產率、溫度、摩擦咬入、變形抗力、動態穩定與品質共同判斷;高低轉速沒有絕對優劣,且冷軋、熱軋及產品尺度會改變結論。

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  4. 4

    (一)零件尺寸檢測中 Cp 和 Cpk 為何?如何定義?(10 分)

    (二)一零件重要尺寸設計規範為 100 ± 0.12 mm,從 100 個成品的量測結果獲得該尺寸平均為 100.03 mm、標準差為 0.02 mm,試求該零件之 Cp和 Cpk 各為何?(10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    製程能力指標以規格寬度相對製程自然變異衡量;Cp只看散布,Cpk再把平均值偏離規格中心納入。本題先定上下規格界限,再代入平均與標準差即可。

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  5. 5

    試說明金屬材料強化機構的種類?(10 分)在這些強化機構中,何者適用於純金屬?(5 分)又何者適用於合金?(5 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    金屬強化的共同本質是阻礙差排移動;作答先依晶界、差排、溶質原子、第二相與相變分類,再以是否需要合金元素區分純金屬和合金的適用機構。

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107 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試述繪簡圖解釋何謂遮蔽金屬電弧焊接法(Shield Metal-arc Welding),其所使用的電極(electrode)要如何分類。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    遮蔽金屬電弧焊應作答為「包藥焊條手工電弧焊」:消耗性金屬心線與工件間維持電弧,藥皮受熱產生保護氣體與熔渣,兼具遮蔽、穩弧、脫氧及調整熔敷金屬成分的功能。

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  2. 2

    試解釋下列之加工方法及其使用時機:(每小題 5 分,共 25 分)

    (一)拉削(Broaching)

    (二)旋壓(Spinning)

    (三)鉸孔(Reaming)

    (四)研磨(Lapping)

    (五)壓印(Embossing)

    (25 分)

    參考架構・破題

    本題每小題均應用「加工原理—主要運動與工具—可得形狀或品質—適用時機」四句完成,並以拉削、旋壓、鉸孔、研磨與壓印分別對應大量成形面、軸對稱薄殼、孔精加工、超精密表面及板材浮凸圖樣。

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  3. 3

    試述下列精密量測機具及其使用時機:(每小題 4 分,共 20 分)

    (一)雷射干涉儀(Laser Interferometry)

    (二)塊規(Gage block)

    (三)三次元量床(Coordinate Measurement Machine)

    (四)分厘卡(Micrometer)

    (五)正弦規(Sine bar)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題宜以量測原理、可量測量、精度層級與適用場合為主軸,逐項說明並相互區辨;不可只翻譯名稱,還要交代基準建立、操作方式及主要誤差來源。

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  4. 4

    試述四種最常用到的消散模鑄造法(Expendable-mold Casting)。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    消散模鑄造的共同特徵,是每次澆鑄後鑄模或模型無法完整重複使用,須破模取件或使模型消失。作答可選最典型的砂模鑄造、殼模鑄造、石膏模鑄造與熔模鑄造,依造模、澆鑄、取件及適用性比較。

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  5. 5

    鋼 的 熱 處 理 可 以 改 變 其 材 料 特 性 , 試 繪 恆 溫 變 態 曲 線 圖 ( Time- Temperature-Transformation diagram)解釋之。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    恆溫變態曲線用來表示奧氏體在不同恆定溫度下,隨時間分解為珠光體、貝氏體等組織的開始與終了情形;若冷卻越過麻田散鐵起始線而未發生擴散變態,則形成麻田散鐵。應以圖、路徑及組織性能三者連結作答。

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106 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試說明鋼鐵滲碳處理的目的與影響滲碳深度的製程參數。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    滲碳是使低碳鋼零件表層增碳,之後配合淬火與回火,形成高硬度、耐磨而心部仍具韌性的表面硬化法。滲碳深度本質上受碳在奧氏體中的擴散與表面供碳能力共同控制。

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  2. 2

    試繪圖說明何謂切削刀具的餘隙角(clearance angle),並說明餘隙角大小對金屬切削行為的影響。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    餘隙角是刀具後刀面與工件新生成表面切線之間的夾角,其作用是讓切刃切入材料而後刀面不致大面積摩擦工件。答題須以切削截面圖標示角度,再從摩擦、刃口強度、熱與刀具壽命說明角度過小或過大的後果。

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  3. 3

    試說明 Inconel 713 鎳基超合金渦輪葉片的加工製造方法與其加工流程。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    Inconel 713 屬鑄造用鎳基超合金,耐高溫但切削性差;渦輪葉片又有薄壁、曲面及可能的內部流道,因此主製程宜採精密熔模鑄造取得近淨形,再以磨削、放電或電化學等方法完成關鍵部位,而非由實心料全面切削。

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  4. 4

    試說明雷射切割與雷射銲接加工方法的差異。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    雷射切割與雷射銲接都以聚焦高能量密度光束造成局部熔化,但前者的目標是移除材料並形成貫穿割縫,後者的目標是保留熔融材料,使接合界面凝固成銲道。可由能量作用、氣體、光束運動、品質指標及缺陷逐項比較。

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  5. 5

    試說明熱加工成形製程在加工前先將成形模具進行預熱的目的。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    熱加工雖使胚料流動應力降低,但若高溫胚料直接接觸冷模,界面會急冷並使模具承受劇烈熱衝擊。預熱模具的核心目的,是控制胚料與模具間的熱交換,使充填、尺寸品質與模具壽命穩定。

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  6. 6

    試分別說明筆記型電腦鎂鋁合金機殼與塑膠機殼的加工製造方法。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    兩類機殼的共同要求是薄壁、輕量、外觀與尺寸穩定,但材料成形機制不同:鎂鋁系金屬機殼以壓鑄或板材成形後精加工為主,塑膠機殼則以射出成形整合肋、柱及卡扣,再分別進行表面與裝配處理。

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105 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    (一)請繪圖並說明槍鑽頭(gun drill)各部位的名稱。 (10 分)

    (二)請說明使用槍鑽頭進行深孔鑽的方法。 (10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    槍鑽是單刃、內部供給高壓切削液並由外部直槽排屑的深孔刀具;作答應以側視圖及截面圖標出切削刃、導引墊、冷卻孔與排屑槽,再說明導引、冷卻、排屑及加工控制。

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  2. 2

    請繪圖並說明蜂巢狀材料(honeycomb materials)之製程。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    蜂巢材料是由大量薄壁六角形或近似胞格構成的輕質芯材,具有高比剛性與良好吸能性。典型製法有展開法與波紋疊合法,作答宜畫出原料薄片到胞格芯,再到夾層板的流程。

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  3. 3

    請繪圖且說明使用液壓(hydraulic pressure)方法製造膨脹管(expanding tubular blanks)之製程。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    液壓膨管即管件液壓成形:將管胚置於閉合模穴,以內部高壓液體使管壁貼模,並視需要由兩端沖頭軸向補料,製成變截面或具局部凸部的中空件。答案應用剖面連續圖呈現密封、加壓、補料、貼模及洩壓取件。

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  4. 4

    請分別敘述下列各種磨耗之形成原因:(每小題 5 分,共 20 分)

    (一)黏附磨耗(adhesive wear)

    (二)磨粒磨耗(abrasive wear)

    (三)腐蝕磨耗(corrosive wear)

    (四)疲勞磨耗(fatigue wear)

    (20 分)

    參考架構・破題

    四種磨耗應以接觸界面的材料移除機制區分,作答宜逐一交代發生條件、微觀歷程與典型表面特徵,並指出各機制在實際摩擦副中可能同時存在。

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  5. 5

    在兩種金屬所組成的合金平衡圖中,其合金受到加熱或冷卻而有以下各種固液兩相反應,請分別說明:(每小題 5 分,共 20 分)

    (一)共晶反應(eutectic reaction)

    (二)包晶反應(peritectic reaction)

    (三)偏晶反應(monotectic reaction)

    (四)重熔反應(remelting reaction)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題應以二元合金平衡圖中的不變反應為主軸,分別寫出冷卻方向的相變式、反應前後相數及辨識圖形;加熱時則為各式的逆反應。

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104 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    製程退火係一種對金屬材料在加工後的熱處理方法,請詳述其目的與過程及其過程中金屬材料顯微組織及機械特性的變化與成因。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    製程退火是冷加工工序之間的軟化熱處理,核心在藉回復與再結晶消除加工硬化、恢復延性,使材料能繼續成形;必要時還會進入晶粒成長階段。

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  2. 2

    請詳述金屬薄板機械特性不具等向性的成因及垂直異向性指標與平面異向性指標的意義,並詳述該二異向性指標對金屬薄板引伸成形特性及結果的影響。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    薄板異向性源自軋延造成的方向性晶粒形貌與結晶織構;作答應先說明塑性應變比的量測,再分別以平均塑性應變比評估厚向抗變薄能力、以平面異向性評估板面各方向差異。

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  3. 3

    DN 值係用以定義高速切削工具機的能力,請詳述 DN 值的定義、高速切削的加工特性與優點及其對模具加工業的意義,並詳述除高 DN 值外,高速切削工具機尚須具備的基本構造。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    DN 值只表示主軸軸承在尺寸與轉速組合下的高速能力,完整的高速切削系統還須兼顧主軸、刀把、進給、控制、熱管理與安全;答題應由指標定義延伸至加工效果及模具產業價值。

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  4. 4

    給定一用於砂模鑄造上的圓柱形冒口體積,試求能令凝固時間最長的冒口圓柱直徑長度比。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    依 Chvorinov 凝固時間關係,在冒口材質、模材與體積固定時,要使凝固時間最長,就要使體積與有效散熱面積之比最大,亦即將圓柱冒口的有效散熱面積最小化。

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  5. 5

    請詳述裝配設計(Design for Assembling)的目標及原則。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    裝配設計的核心,是在產品功能、品質與維修需求不降低的前提下,以最少零件、最簡單方向與最少操作完成可靠裝配,並在概念設計階段同步考量人工或自動化裝配。

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  6. 6

    請詳述統計製程管制(Statistical Process Control, SPC)的目的與原理及其可能出現的誤差型態。(15 分)

    (15 分)

    參考架構・破題

    統計製程管制是用抽樣統計量監視隨時間變化的製程,目的在區分共同原因與特殊原因、及早排除異常並維持製程穩定;它不是只對成品作合格與否的篩選。

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103 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    試回答下列問題:(每小題 5 分,共 15 分)電化學切削(electrochemical machining)和電化學研磨(electrochemical grinding)有何不同?兩種情況中,金屬除去的情形是否相同?碳化物用金屬粉末噴佈(metal powder spraying)和燒結(sintered)成形有何不同?在製造金屬粉末軸承時,如何控制金屬的多孔度(porosity)?這種軸承比鑄造軸承的優點為何?

    (15 分)

    參考架構・破題

    本題包含非傳統加工、碳化物製造與粉末冶金軸承三組比較,應逐小題先交代機制,再以工具作用、材料去除或成形方式及產品特性作對照。

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  2. 2

    試回答下列問題:(每小題 5 分,共 15 分)何謂應變硬化(strain hardening)?試從微結構的變化說明應變硬化的過程。如何消除冷加工金屬的殘留應力(residual stress)?珠擊法(shot peening)為何可以改善金屬的疲勞性質?

    (15 分)

    參考架構・破題

    本題三部分可用位錯觀點串聯:冷加工使位錯增殖與交互阻礙而硬化;退火藉熱活化重排或消除位錯與殘留應力;珠擊則刻意在表面引入壓縮殘留應力以抑制疲勞裂紋。

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  3. 3

    最高溫度與坑洞磨耗(crater wear)的位置是否相關?試說明其理由。(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    最高切削溫度與坑洞磨耗位置具有明顯相關:兩者通常都出現在刀具前刀面與切屑接觸區內、距切刃一小段距離處;但磨耗還受接觸壓力、滑移速度、材料親和性與擴散反應控制,故兩位置不必完全重合。

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  4. 4

    試說明適用於間斷性切削加工(interrupted cutting operations)的刀具材料必須具備的性質,並舉兩種適合此種切削加工的刀具材料及其理由。(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    間斷切削使刀刃反覆進入與退出工件,同時承受週期性衝擊及急熱急冷,因此選材不能只追求高硬度,核心是兼具刃口韌性、抗崩裂性、耐熱衝擊性與足夠耐磨耗。

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  5. 5

    填料金屬(filler metal)與欲焊接工件之組成成分是否必須相同?又典型的填料金屬該如何選擇?請說明理由。(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    填料金屬不必與母材成分完全相同;選材重點是焊後熔接金屬在稀釋、凝固及服役環境下,仍能取得所需強度、韌性、耐蝕性與抗裂性。作答宜先否定「成分必須相同」,再依冶金相容性與施工性說明選擇原則。

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  6. 6

    試說明為何相同之表面粗糙度值(surface roughness values)並不必然代表相同之表面形態(the type of surface)。(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    單一表面粗糙度值只是對量測輪廓某種統計量的濃縮描述,無法唯一決定輪廓的形狀、間距、方向與缺陷。因此數值相同的兩表面,可能具有完全不同的峰谷分布及使用性能。

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  7. 7

    試繪製一示意圖,說明管子旋壓(tube spinning)的加工原理及其應用。(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    管子旋壓是使管坯套在芯模上旋轉,再以滾輪施加局部徑向壓力並沿軸向進給,使材料逐步塑性流動而減薄、伸長或改變直徑的軸對稱成形法。答案須以示意圖標清旋轉、滾輪進給、芯模與金屬流動,並連結其適合的中空迴轉件。

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  8. 8

    同一材料製成兩個工件,其中一個經過冷加工成形,另一個則為熱加工成形。試解釋此二個工件間會有何差異?(10 分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    冷加工與熱加工的判準是成形溫度相對於材料再結晶溫度,而非工件摸起來是否冷熱。冷加工會累積加工硬化、織構及殘留應力;熱加工時回復與再結晶可持續消除硬化,故兩工件在組織、性質、精度及表面狀況上均有差異。

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  9. 9

    多孔性對鑄件之機械性質及物理性質有何不良之影響?請說明理由。(10分)

    (10 分)

    參考架構・破題

    鑄件多孔性包括氣孔、縮孔及微縮孔,其共同效果是減少有效承載截面、造成缺口效應並破壞材料連續性。因此不僅降低靜態與疲勞機械性質,也會損害密度、導熱導電、氣密及耐蝕等物理或功能性質。

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102 年(考試時間 120 分鐘) 原卷 PDF

  1. 1

    (一)說明鋼之沃斯回火熱處理(austempering)程序,並說明經沃斯回火熱處理後所得到之金相組織及機械性質之特性。(10 分)

    (二)鋁銅合金(Al-Cu alloy)或鋁矽鎂合金(Al-Si-Mg alloy)一般可藉由析出硬化熱處理來強化材料,請說明析出硬化熱處理之程序。(10 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題分成兩條熱處理路徑:沃斯回火以等溫變態直接取得變韌鐵組織;析出硬化則先製造過飽和固溶體,再由受控時效析出細小第二相阻礙差排。作答應各自按照「加熱、保溫或淬火、所得組織、性質」完整交代。

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  2. 2

    在鋁合金之熔解及鑄造過程中,鋁合金熔液一般需要施以除氣處理,試說明除氣處理之目的、方法及原理。並敘述半固態觸變成形(thixocasting)之製程以及以該製程所獲得鑄件之優點。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    鋁熔液除氣的核心是移除溶解氫,避免凝固時因氫溶解度驟降而析出氣孔;半固態觸變成形則利用非樹枝狀固液共存漿料受剪切後黏度降低的特性,以較低溫度充填模具。兩部分均須交代目的、方法、原理、流程與優點。

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  3. 3

    銑削(milling)加工可分類為二種主要銑削型式,試說明該二種銑削型式在銑刀及加工方式上之差異。銑削加工之材料移除率明顯較一般切削加工為高,試以材料移除 率 ( metal removal rate, MRR ) 之 公 式 來 說 明 。 針 對 逆 銑 ( up milling or conventional milling)進刀方式而言,試繪出每一車刀在一循環中所承受之切削力的變化情形。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    本題先以刀刃所在位置區分周銑與面銑,再以銑削材料移除率公式說明多刃、寬切削及高進給造成的高生產率,最後畫出逆銑單齒由切入至切出的切屑厚度與切削力變化。三部分都答到才完整。

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  4. 4

    試說明以電弧焊接法(arc welding)應用在工件焊接、工件切割以及工件表面噴覆(如鍍上一耐磨層)等不同作業時,在操作條件或裝置上之差異。(20 分)

    (20 分)

    參考架構・破題

    三種作業雖都利用電弧能量,目標不同:焊接要形成可靠接頭,切割要集中熔化並排除材料,表面處理則要把耐磨材料沉積於基材且控制稀釋。應從電弧型式、電源與極性、氣體或材料供給、熱輸入及操作結果逐項比較。

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  5. 5

    試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 20 分)

    (一)熱均壓(hot isostatic pressing, HIP)(粉末冶金製程)

    (二)鑄鐵之球化處理(spheroidization treatment)

    (三)拉管法(tube drawing)

    (四)專家系統(expert system)

    (20 分)

    參考架構・破題

    四個名詞分屬粉末冶金、鑄鐵熔湯處理、管材塑性加工及人工智慧應用。每小題宜依「定義或目的、製程或構成、結果與用途」各寫一完整段,避免只有中文翻譯。

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其他等別的「機械製造學」

題目來源:考選部考畢試題查詢平臺(政府資訊公開資料);參考架構為本站自撰,僅供準備方向參考,非官方標準答案。最後更新:。