民國115年 高考三級 機械工程 機械製造學考古題
民國115年 高考三級 機械工程 機械製造學收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
試述放電加工（EDM）之基本加工原理，並指出其與傳統切削加工在材
料去除機制上的主要差異。以下列三點來分別說明： 火花放電形成與
材料去除之機制； 電極與工件之極性與材料條件； 放電加工相對於
傳統切削加工之優點與限制。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、放電加工（electrical discharge machining, EDM）是一種非傳統的熱性加工方法。工具電極與工件浸在介電液中，彼此保持微小放電間隙，並由伺服系統控制進給；脈衝電源在間隙產生放電，以熱能蝕除材料。加工時兩者不直接接觸，材料去除機制與傳統切削的機械剪切不同。
- 二、火花放電形成與材料去除機制：脈衝電壓使介電液絕緣破壞，形成電漿通道並瞬間通過大電流，局部溫度可達數千至一萬餘℃，使工件表面熔化、汽化；隨後氣泡爆裂將熔融金屬拋出，介電液沖走切屑，形成放電坑。脈衝間隔使電漿去離子化，恢復絕緣，等待下一次放電。
- 三、極性與材料條件：常用雕模放電採工件接正極、電極接負極，使電子撞擊工件而提高去除率並降低電極損耗；惟細孔、鏡面或特殊電源可反轉極性。工件須具導電性，電極常用銅、石墨或銅鎢合金，需高熔點、低損耗與良好導電、導熱；介電液常用煤油或去離子水。
- 四、優點：可加工淬硬鋼、硬質合金、耐熱合金等難切削材料；可製作深孔、窄槽、複雜模穴與微細結構；加工時幾乎沒有切削力，適合薄壁與易變形工件；精度與表面粗糙度可控，且容易與CNC及自動化整合。
- 五、限制：工件必須導電，非導體與多數陶瓷不宜；材料去除率低、加工時間長；電極會損耗且需製作，深孔有斜度與排屑問題；表面會留下重鑄層與熱影響區，可能需後續研磨；設備與介電液處理成本高，亦有火災與環境風險。
同一材料製成兩個相同幾何之工件，其中一個經過冷加工成型製程，另
一個則為熱加工成型製程。試述此兩個工件間在機械性質、內部應力、
尺寸精度與成形阻力等四個方面的差異？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義與比較前提：冷加工在材料再結晶溫度（recrystallization temperature）以下進行，熱加工則在其以上。兩工件雖材料與幾何相同，但因變形溫度、應變量與冷卻歷程不同，組織與性質會有系統性差異。
- 二、機械性質：冷加工產生應變硬化（strain hardening），差排密度增加，強度與硬度提高，但延性、韌性及均勻伸長率下降，並可能出現異向性；熱加工伴隨動態回復與再結晶，晶粒較等軸且細化，強度通常較低但延性佳，且不易留下加工硬化。
- 三、內部應力：冷加工因變形不均與差排交互作用，工件內部常留存殘餘應力，表面與心部應力狀態不一致，可能引起翹曲或應力腐蝕；熱加工因再結晶可消除部分加工應力，殘餘應力較小，但冷卻不均仍會產生熱應力，必要時需退火或應力消除。
- 四、尺寸精度：冷加工尺寸精度與表面品質較佳，公差易控制，但需考慮回彈（springback）與模具磨耗；熱加工因高溫氧化、熱脹冷縮、冷卻收縮不均及晶粒粗化，尺寸精度與表面粗糙度較差，常需預留加工量或後續精加工。
- 五、成形阻力與製程選擇：冷加工流動應力高，成形負荷大，道次減量受限，常需中間退火，適合薄板、線材與高精度零件；熱加工流動應力低，可用較小設備完成大變形，適合大斷面與連續鑄軋，但能源、氧化損耗與尺寸控制成本較高。
為改善已加工完成的金屬表面性質，存在不同機械性處理技術，請針對
珠擊法、滾輪磨光、滾珠法、爆炸硬化法等方法進行說明。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、總說：機械性表面處理以塑性變形改善已加工表面，不產生切屑，主要效果包括降低表面粗糙度、產生壓縮殘餘應力、加工硬化表層，進而提升疲勞強度、耐磨性與抗應力腐蝕能力；其效果取決於處理能量、覆蓋率與材料性質。
- 二、珠擊法（shot peening）：以高速噴射鋼珠、陶瓷珠或玻璃珠撞擊表面，使表層產生均勻塑性凹痕與壓縮殘餘應力。常以Almen試片（阿爾門試片）控制噴擊強度（intensity），並以覆蓋率（coverage）確保均勻性；廣泛用於齒輪、彈簧、連桿與航太零件。缺點是表面可能粗化、薄件易變形，且需控制珠粒品質。
- 三、滾輪磨光（roller burnishing）：以硬質滾輪對表面加壓並進給，使微凸峰塑性流動填平凹谷，形成光滑表面與壓縮殘餘應力，同時產生加工硬化。常用於車床、CNC加工之圓柱面與孔面；參數包括滾壓力、進給、轉速與滾輪幾何。其優點為無切屑、表面品質穩定，但工件尺寸、硬度與幾何形狀受限，且需避免過壓造成剝落。
- 四、滾珠法（ball burnishing）：以硬化鋼珠或陶瓷珠在表面滾壓，藉多點接觸使表面塑性變形，降低粗糙度並導入壓縮應力。適用於平面、曲面、模具與複雜輪廓，較滾輪法更具幾何適應性；需控制滾壓力、珠徑、路徑與道次，避免過度變形或剝落。
- 五、爆炸硬化法（explosive hardening）：將炸藥置於工件表面或附近引爆，利用衝擊波造成表層劇烈塑性變形與加工硬化，可形成較深之壓縮殘餘應力層，常用於高錳鋼軌岔、破碎機顎板等耐磨件。其優點是硬化層深、設備相對簡單；限制為安全性、噪音、變形控制與幾何形狀受限，須嚴格評估。
請列舉至少五種在焊接加工中會影響焊道強度（strength of weld beads）
的因素，並進一步說明。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、總說：焊道強度（strength of weld beads）受材料、接頭設計、製程參數、熱履歷與缺陷等多重因素影響，並非單一因素所能決定；評估時應同時考慮抗拉強度、疲勞強度、韌性與耐蝕性。
- 二、母材與填充金屬：母材成分、碳當量、厚度與清潔度會影響淬硬性與裂紋敏感性；填充金屬強度、韌性及與母材的匹配關係，決定焊道金屬與熱影響區的整體強度。異種鋼焊接時，稀釋率與界面脆化亦須控制。
- 三、焊接參數與熱輸入：電流、電壓、行走速度、極性與保護氣體決定熱輸入、熔深、熔寬與冷卻速率。熱輸入過高會造成晶粒粗化與熱影響區軟化，過低則易產生未熔合、未滲透；冷卻過快可能形成麻田散鐵與氫裂。
- 四、接頭設計、清潔度與缺陷：接頭型式、開槽角度、根部間隙、裝配精度與拘束度會影響應力集中與熔透；油、鏽、水分與氧化層會造成氣孔、夾渣與氫脆。氣孔、未熔合、未滲透、咬邊與裂紋等缺陷會縮小有效斷面並降低疲勞壽命，須以非破壞檢測管制。
- 五、預熱、後熱、殘餘應力與環境：預熱可降低冷卻速率、減少氫裂與收縮應力；層間溫度控制可避免過熱；焊後熱處理（post-weld heat treatment, PWHT）可消除殘餘應力並改善熱影響區韌性。保護氣體純度、流量、風速、濕度與焊工技術亦影響保護效果；拘束過大或未回火易導致裂紋與強度下降。
請說明並比較金屬粉末射出成型技術與傳統粉末冶金技術在下列四個
特性上的差異： 成形方式； 粉末粒度； 產品密度與強度； 設計
自由度與精度。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、總說：金屬粉末射出成型（metal injection molding, MIM）結合塑膠射出成型與傳統粉末冶金（powder metallurgy, PM），兩者皆以金屬粉末為原料，但成形、脫脂與燒結路線不同，因而在粉末規格、密度、精度與設計自由度上呈現差異。
- 二、成形方式：MIM先將細金屬粉與高分子黏結劑混煉成餵料（feedstock），以射出機充填模穴，經脫脂（debinding）移除黏結劑後高溫燒結；傳統PM則將粉末與潤滑劑在模具中單軸壓製成生胚，再燒結。MIM適合複雜小型零件，PM適合較大、形狀較簡單之零件。
- 三、粉末粒度：MIM需細粉末，粒徑約1至20微米，以利餵料流動、燒結緻密化與微細特徵成形，但細粉表面積大、黏結劑用量高、成本較高；傳統PM常用20至100微米以上之粉末，流動性與壓縮性較佳、價格較低，但燒結後孔隙較多。
- 四、產品密度與強度：MIM燒結密度可達95%至99%理論密度，孔隙細小且均勻，強度、延性與疲勞性質接近鍛造材，並可進行熱處理；傳統PM因壓製密度限制，常見85%至95%密度，殘留孔隙會降低強度與韌性，必要時以滲銅或二次壓製改善。
- 五、設計自由度與精度：MIM可成形三維複雜形狀、倒勾、薄壁與細小特徵，設計自由度明顯較高，但燒結收縮率常約15%至20%，模具與製程控制要求高；傳統PM受單軸壓製限制，適合軸對稱或二維輪廓，尺寸精度穩定但複雜特徵需後加工。批量大且形狀複雜者宜MIM，大型且形狀簡單者宜PM。