民國115年 普通考試 機械工程 機械製造學概要考古題
民國115年 普通考試 機械工程 機械製造學概要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
對於大型工件的鍛造製程一般都是在高溫的環境中施作，請列舉四種鍛
造模具材料所需要具備的特性。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、鍛造模具材料須具備良好的高溫強度與抗軟化性（hot strength and softening resistance）。大型工件鍛造溫度常達1000℃以上，模具長期承受高壓與熱循環，材料若在高溫下迅速降伏或回火軟化，將造成模腔變形、尺寸失準，因此需選用熱作模具鋼（hot-work tool steel），如H13、5CrNiMo等。
- 二、須有優良的耐熱疲勞與抗熱衝擊性（thermal fatigue and thermal shock resistance）。模具表面反覆加熱與冷卻，易產生熱裂紋（heat checking）；材料應具高熱傳導、低熱膨脹及足夠韌性，使溫度梯度與熱應力減小，避免裂紋萌生與擴展。
- 三、須具備高溫耐磨耗性與抗機械疲勞性（wear resistance and mechanical fatigue resistance）。鍛造時金屬流動摩擦模面，加上反覆衝擊負荷，模面易磨損、塌陷或疲勞開裂；因此材料需有高硬度、均勻碳化物分布及良好韌性，以延長模具壽命。
- 四、須有良好的淬透性、熱處理穩定性與加工性（hardenability and dimensional stability）。大型模具截面厚，若淬透性不足，心部無法獲得均勻組織；同時須能進行鍛造、切削與放電加工，並在反覆熱處理後保持尺寸穩定，降低製作與維修成本。
- 五、另應具備抗氧化性、抗黏著性及足夠斷裂韌性（oxidation and adhesion resistance）。高溫下模面氧化會加速磨耗，工件與模具黏著則造成拉傷；材料若過脆亦可能在重擊下破裂。實務上常以表面處理或選用鎳基超合金改善，但仍須兼顧成本與可修復性。
請比較並說明「電弧焊」與「電阻焊」兩種焊接方法之主要差異，至少
提出說明四項相異點。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、熱源與成熱機制不同：電弧焊（arc welding）以電極與工件間的電弧產生高溫，使母材與填料熔化，屬熔接（fusion welding）；電阻焊（resistance welding）則利用電流通過工件接觸面所產生的焦耳熱（Joule heating），並配合加壓使界面金屬塑性變形與擴散而接合。
- 二、是否施加機械壓力不同：電弧焊通常不施加大壓力，僅以夾具固定；電阻焊必須以電極施加顯著電極力（electrode force），使接觸電阻穩定、熔核（nugget）成形，並在通電後保持壓力完成凝固，壓力是成敗關鍵。
- 三、填料與電極角色不同：電弧焊常使用消耗性電極（consumable electrode）或另加焊條、焊線作為填料，焊道成分可調整；電阻焊多以水冷銅電極導電加壓，電極不熔化，通常不加填料，接頭成分主要取決於母材。
- 四、電源特性與製程參數不同：電弧焊使用高電壓、低電流且需穩定電弧之電源；電阻焊使用低電壓、大電流，主要參數為焊接電流、通電時間與電極力。前者強調電弧長度與保護氣體，後者強調電流密度與接觸狀態。
- 五、適用範圍與生產型態不同：電弧焊適用於厚板、大型結構與多種金屬，現場施工彈性高；電阻焊適合薄板、大量生產，如車身點焊、罐體縫焊，速度快且易自動化，但接頭形式與工件導電性受限。
切削條件（如切削速度、進給量、切削深度）會影響加工效率與表面品
質。請回答下列問題：
試定義下列三種切削條件：切削速度、進給量與切削深度。（10 分）
切削速度過高或過低，對刀具壽命與加工品質會有何影響？（5 分）
進給量與切削深度增加時，對加工效率與表面粗糙度之影響為何？（5分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、切削速度（cutting speed, v）指刀具切削刃與工件表面相對運動的線速度，常用單位為m/min。車削時可以v＝πDN/1000估算，其中D為工件直徑（mm）、N為主軸轉速（rpm）；銑削則依刀具直徑與轉速計算，速度方向沿切削方向。
- 二、進給量（feed, f）指工件每轉一轉（或刀具每齒）與刀具沿進給方向的相對位移，車削單位常為mm/rev，銑削為mm/tooth或mm/min。切削深度（depth of cut, ap）指一次切削中刀具切入工件的徑向或軸向厚度，車削外圓時ap＝(D－d)/2，單位為mm。
- 三、切削速度過高會使切削溫度急升、擴散磨耗與氧化磨耗加劇，刀具壽命依泰勒公式（Taylor tool-life equation）迅速縮短，亦可能造成燒焦、白層或熱變形；速度過低則易產生積屑瘤（built-up edge）、顫振與刀痕，表面粗糙度變差且生產效率低落。
- 四、進給量與切削深度增加可提高材料去除率（material removal rate, MRR≈v·f·ap），縮短加工時間、提升效率；但進給量增大會使殘留高度增大，理論粗糙度Ra約與f²成正比（Ra≈f²/32r，r為刀鼻半徑），切削力、振動與刀具磨耗亦上升。
- 五、切削深度增加對表面粗糙度的直接影響通常較進給量小，但會放大切削力、刀具撓曲與顫振，若工具機剛性不足，反而造成尺寸誤差與波紋；實務上宜先採較大ap與適中f提高效率，再以高速精切削降低粗糙度，兼顧壽命與品質。
請列舉出至少四種金屬塑性加工方法，並分別說明其基本原理、典型產
品及相關應用。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、軋延（rolling）：將金屬胚料送入旋轉軋輥間，藉壓縮應力使其斷面減小、長度增加，可熱軋或冷軋。典型產品有鋼板、鋼捲、型鋼、鋁箔與鋼軌；廣泛應用於建築、汽車、家電與包裝，冷軋可獲較佳尺寸精度與表面品質。
- 二、鍛造（forging）：以衝擊或壓縮力使金屬在模具間塑性流動，分為自由鍛與模鍛，可改善晶粒結構與機械性質。典型產品有連桿、曲軸、齒輪胚、手工具與航空零件；應用於汽車、機械、航太等高強度受力件。
- 三、擠製（extrusion）：將金屬錠置於容器中，以衝頭加壓使其由模具孔口擠出，形成與孔形相同之長條製品，分為正擠與反擠。典型產品有鋁擠型、管材、線材與散熱片；常用於建築門窗、自行車架、電子散熱與交通運輸。
- 四、抽拉（drawing）：將金屬線、棒或管拉過模具孔，使其斷面縮小並增長，通常於常溫進行以獲得光潔表面與高強度。典型產品有電線、鋼纜、彈簧線與精密管；應用於電機、通訊、汽車與五金，惟需控制潤滑與道次減面率。
- 五、板金成形（sheet-metal forming）：包括沖裁、彎曲、引伸與成形，利用沖床與模具使薄板產生剪切或塑性變形。典型產品有車身鈑件、飲料罐、電子機殼與家電外殼；應用於汽車、航太、3C與包裝，適合大量生產但需注意回彈與起皺。
請依據 光阻的作用； 曝光與光罩關係； 顯影的目的； 解析度與
線寬對製程的影響； 微影製程失敗對良率的影響，說明光阻塗佈／曝
光／顯影等「微影製程」在半導體製程中的功能與重要性。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、光阻（photoresist）的功能：光阻是感光高分子材料，經旋轉塗佈（spin coating）形成均勻薄膜，受特定波長光照射後，曝光區的化學結構或溶解度改變，再經顯影將圖案轉移到晶圓上；正型光阻曝光區溶解，負型光阻則曝光區交聯而不溶。
- 二、曝光與光罩的關係：光罩（photomask）承載積體電路圖案，曝光機將光透過光罩或經投影透鏡縮小成像於光阻上，使圖案依比例轉移；對準（alignment）精度、曝光波長、數值孔徑（NA）與焦距決定成像品質，步進機（stepper）或掃描機（scanner）可提升解析度與產能。
- 三、顯影的目的：顯影（development）利用顯影液溶解特定區域的光阻，將曝光形成的潛像（latent image）轉為實體光阻圖案，作為後續蝕刻、離子佈植或沉積的遮罩；顯影時間、溫度與濃度會影響線寬、側壁角度及殘留缺陷。
- 四、解析度與線寬的影響：解析度（resolution）指能分辨的最小圖案尺寸，線寬（critical dimension, CD）則決定元件通道長度與電路密度；依瑞利公式R＝k₁λ/NA，波長越短、NA越大則解析度越佳，但景深（DOF）隨之減少，需在解析度與製程窗口間取捨。
- 五、微影失敗對良率的影響：若光阻塗佈不均、曝光失焦、對準偏移或顯影不完全，會造成線寬偏差、斷線、短路、殘渣或圖案缺失；這些缺陷在後續蝕刻與佈植中放大，導致晶粒失效、良率下降，嚴重時需報廢或重工，增加成本與週期時間。