版主說：第三份報告因為圖檔比較多，所以我就不貼了，這是製造設計最後一份作業。一、 前言
為了增加產品的競爭能力，在設計上應該儘量將材料製造加工成本費用降至最低。雖然品質之最高標準是使用強度高，耐蝕力強，耐用壽命最久之材料，但設計工程師應該顧及到成本的問題。一般情形下，價廉而強度低之材料，重量較大；昂貴而強度高之材料，重量可能減少。究竟選用何者，需視產品的要求而定。製造高精密度的產品，需要高價的機器和技術，生產成本自然增加。是以在設計及製造上，精密度之要求，應配合產品之種類、性能、等級等之實際需要而定，不宜要求過高。至於外觀，亦在考慮範圍之內。無論是加工平整程度，表面噴漆、塗層或電鍍等，皆足以決定第一印象的好壞，也可以表示該產品之實用價值。所以有若干製品往往使用富於色彩之塑膠為原料。當然最重要仍在產品之實際功用，例如強度高，耐磨損，耐腐蝕等的優良性質。對於大量生產的機件而言，其設計必須合於在大量生產機器上加工。不論所用機器有幾個，每次的裝、卸、運送，皆應以不增加或儘可能減少增加的加工費用為原則。
製造方法以加工式分類可分為：
1. 改變材料形狀加工法：
鑄造、粉未治金、鍛造等等。
2. 移除加工法：
車削﹝Turning﹞、銑削﹝Milling﹞、雷射加工法﹝LM﹞、放電加工法﹝EDM﹞等等。
3. 機件或材料連結法：
熔接﹝welding﹞、黏接﹝adhesive joining﹞。
4. 改變材料性質加工法：
熱處理﹝heat treatment﹞、熱加工﹝hot working﹞、冷加工﹝cold working﹞等。
本文即是探討上述各種的製造程序與加工法，在設計階段如何考量。
二、 鑄造零件的設計要素
鑄造是將熔化之液態金屬注入鑄模內，使其凝固後成為與模穴形狀相同之固體成品的一種加工法。鑄造方法可分為兩大類：
1. 用砂模以鑄造金屬﹝主要者為鑄鐵或鑄鋼﹞，稱為砂模鑄造﹝sand cast﹞。
2. 用金屬或特殊材料之鑄模，以鑄造鐵金屬以外之鑄件，必要時於澆鑄時加壓力，稱為特殊鑄造法﹝special casting processes﹞。
鑄造設計的基本原則：
1. 設計需求鑄件之健全
2. 使各部分剖面厚度儘可能均一
3. 在各部分鄰接處避免峻銳之轉角及厚度之急遽變化
4. 將一切峻銳角改為內圓角
5. 減少連接部分之數目
6. 避免鑄造歪變
7. 除非必要，不應使用突面、伸耳及墊台
8. 使內部間壁尺寸比例正確
9. 設計肋及托架時需注意其最大效用
10. 預留收縮及機械加工之尺寸公差
設計上考量使用鑄造的優點與缺點：
優點 | 1. 鑄造加工特別適合具有內挖槽的零件，太過複雜或太大的工件都能很簡單的加工出來 2. 對於零件複雜且需大量接合者，鑄造法較優 3. 機件外型曲面過度複雜而不宜用機械切削加工者 4. 鑄造幾乎沒有材料損失，所以經常被用於做精密金屬成型 5. 適合大量生產 6. 鑄造後金屬結晶無方向性，及對任何方向有相同之機械強度 |
缺點 | 1. 不同的設備或附屬設備會造成生產後成本及特性的差異 2. 當零件可以用沖壓或拉伸來加工時鑄造通常就不被採用 3. 對於低熔點的非鐵合金而言，擠製加工較優 4. 高熔點的材料如鎢，不易與其它材料來作結合，故常須藉著結合劑作結合 |
三、 模鑄塑膠的設計要素
塑膠具有黏滯性，故設計時較金屬材料複雜，設計者直覺上可以知道黏滯性在線彈性範圍內不會表現出來，且混合後的性質會更複雜，作塑膠射出設計時須考慮的因素有很多，如材料的物性、幾何形狀、物理性質、機械性質、尺寸精度等。模具設計理應包含成形品設計、模具構造及成形條件等方面，但國內的模具製造業者，大多僅對已設計完成的成品圖作模具設計工作而已。不過欲達品質要求及完成良好的模具設計，則仍須對成形品的品質及其形狀，從各種角度加以探討。
模具溫度的調整方法必須在設計時加以考慮，模具中的冷卻孔，必須具有充足的傳熱面，以便在成形當中，把由材料傳入模具中的熱量，能在每一冷射出的時間內充份的排出。
拔模斜度，為使成品於模具中容易脫模之用。脫模斜度視成形品的形狀、成形材料之類別、模具構造、表面精度以及加工方法等有所不同。
肋的情形，肋的功能主要為補強、改善流動性、防止殘留應力所致之變形等，肋與正常壁之間應有導圓角以防應力集中。
凸轂設計，凸轂是成品的凸出部份，可彌補孔周圍的強度，可供裝配時嵌合之用，以及作局部增高之用。由於凸轂是凸出部份，肉厚增加，所以容易造成收縮下陷，所以於設計時應注意幾點：凸轂之長度以不超過本身直徑之兩倍為宜、凸轂的位置勿太接近轉角或側壁、凸轂之形狀以圓形為宜但設計於底座時以三個為宜，凸出底面0.3~0.5。
孔的設計，孔有成形後再加工的，也有在模具中一體成形的，一般以一體成形者較多。
螺紋設計，避免使用pitch 0.75mm以下之螺紋，而最大可使用pitch 5mm者；長螺紋會因收縮之關係而使螺距失正，故應避免使用；螺紋公差小於成形材料收縮量時應避免使用之；陰陽螺紋配合應有0.1~0.4 mm之間隙；螺紋部應有1/15~1/25之拔模斜度；螺牙不得延長至成型品的末端，因薄緣和切通不利於模具強度及螺紋壽命，所以至少要設0.8 mm的平坦部份；輥紋常是平行脫模方向的溝槽，輥紋間距宜大，通常為3 mm較佳，最小為1.5 mm，為了模具崩裂與後加工的容易，所以至少要與分模面設有0.8 mm之平坦部位。
四、 鍛造零件的設計要素
鍛造是將金屬加熱，改變其材料硬度使其軟化，並具有高度的延展性，再施以加壓鍛打使成為各種所需之形狀的加工方法。鍛造加工對材料而言幾乎沒有損失，其可提高生產性及速度，且製品強度遠勝於其他多種加工法。然而，此加工法加工出的成品尺寸、形狀大多無一定的理論可循，因此此項技術細節，大都是經驗的累積。例如：加工變形、成形、材料損失、生產速度、加工精度、製品的機械性質、後處理、加工溫度效應等，都是我們於設計時所應考量的，而更重要的是降低成本而不失成品特性，這是我們所秉持的原則。
鍛造的種類有五種：
1. 手錘鍛造
2. 落錘鍛造
3. 端壓鍛造
4. 壓床鍛造
5. 滾壓鍛造
凡機械上需要強度大或耐衝擊之部分，如曲軸、連桿、螺桿、搖臂以及各種手工具等，利用鍛鐵或鍛鋼為材料，於鍛造廠先鍛成毛胚，然後再用機械加工而完成成品。
五、 粉末冶金零件的設計
粉末冶金是工業的一項重要技術，它可應用的範圍很廣，如刀具設計、軸承的處理。其加工步驟為：粉末均勻混合、加壓成形、燒結、再加壓、滲入、滲透、後處理等。
優點 | 1. 適合量產 2. 純度高 3. 成份比正確且具均勻性、可將不易混合之金屬材料或非金屬材料作均勻混合 4. 高熔點材料也能加工 5. 多孔性材料其孔隙大小可加以控制 6. 可作成不能鍛造的硬脆金屬製品 7. 廢料少，較為經濟 8. 操作技術層次不高，故勞工費用低廉 |
缺點 | 1. 粉末貯藏不易且昂貴 2. 設備費用高 3. 不適合少量生產 4. 產品尺寸受機器及粉末壓縮性的限制 5. 因粉末流動性差，故無法製造複雜的零件 6. 對於低熔點金屬製作上較為困難，且易引起爆炸 7. 無法製作完全密度的製品 |
雖然工業上可用粉末冶金法作成的零件相當的多，但因缺乏知識、經驗、眼光以延誤粉末冶金的應用，不過，最近粉末冶金製品的應用程度已逐漸在增加當中，此表示粉末冶金的知識、經驗已經逐漸普及。除了特殊場合之外，燒結機械零件的物理和機械特性通常都不是很好，但是，如用於強度、韌性要求不高的場合設計，此將可提高有利的經濟條件。
粉末治金主要是金屬粉或合金粉的製造及將它們的粉末裝入模內，加壓成型﹝有時不加壓﹞，其次在熔點以下之溫度進行燒結，作成金屬製品或金屬塊的技術。
絕大多數零件在燒結完成後便可使用，而有些零件需要極精確尺寸公差或其他特殊要求者，則需施行後處理﹝finishing operation﹞如：尺度矯正﹝sizing﹞、複壓﹝repressing﹞、壓印﹝coining﹞、浸漬﹝impregnation﹞、金屬滲透﹝infiltration﹞、電鍍﹝plating﹞、熱處理及機械加工等。
六、 薄板金屬零件的設計
金屬板材通常都是異方性的，加工前必須先了解材料的物性，再參照幾何形狀、要求公差，有些小細節如薄板彎曲時會有回彈現象，或是薄板衝孔時會產生毛邊，薄板輥軋時最好須配合熱處理來作加工且輥軋方向最好成交互的九十度，以求成品的優異性等細節及缺點都是設計師在設計時時應留意的。
七、 接合在設計上的影響
1. 熔接：
最近隨著裝置系統及機械構造物等的高性能及高效率化的要求，構造組件的組裝有高精度化的傾向，而其所使用的材料也有特殊厚板化及高品質化的傾向。
一般構造組件的組合方向大多使用熔接，但是為因應上述的傾向，可以使用與材料化學成份無關的熔接技術，而且必須使用變形或應變量較少的熔接方法。
熔接的裝配機件一般重量輕而強度大，其於機械運動零件與載送裝備上為一重要的優點。在熔接設計上，通常較鑄件的加工較少量，設計時須顧及易於施焊與檢查。
2. 硬焊：
將待接合的機件加熱至超過800°F，以允許填料金屬藉毛細作用流入空隙的方法。此法的優點有：
(i) 具有接合不同厚度之材料的能力
(ii) 於接合後，原有材料的機械性質不會有太大的變化
(iii) 有作鑄鐵與熱軋材料及不同材料接合之能力
(iv) 無需對已完成的接合做額外的加工程序
3. 黏著劑的接合：
在很多必須將機件聯結在一起的例子中，使用黏著劑較使用螺栓、卯釘或其它機械結合法更具成本上的優點。黏著接合的應力也比卯釘接合負荷分攤於每個卯釘上的情形要均勻的多。此外，黏著接合應小心設計，以使它僅承受壓力或剪力，此法之優點有：
(i) 成本低
(ii) 接合處表面光滑
(iii) 原有之材料可以是輕質材料
(iv) 可以接合不同種類之材料
(v) 接合處密封，可防止在壓力下發生洩漏
(vi) 具少數震動阻尼之效果
(vii) 此法改善了結合的強度
八、 熱處理在設計時的影響
機械零件因熱處理的效果而增加強度及硬度，通常均伴隨殘留應力而產生，這種應力是由於材料溫度升高時，產生塑性變形而形成的，該情況是否對零件之功能有益，設計者應慎重的考慮。
熱處理時需考慮的細節，如表面拉應力較大時，可能使零件扭曲、變形，甚至產生裂痕。當有凹口、槽、孔、銳角等之應力集中部份存在時，淬裂的可能性將大為提高。又表面若具有殘留拉應力，則有助於疲勞裂痕的形成。這種情形無疑的為許多材料損壞的原因。又表面之殘留拉應力可藉滾筒內作高壓輥軋、珠擊法、輥轉法或鎚擊等機械方法除去，甚至還可變成壓應力。
九、 加工過程在設計時的影響
所製作出的素型材有的即是最終形狀，不過，通常會再以切削、磨削等加工法作成必要的形狀。從各種外形加工法中選出最適合所設計之零件的加工方法也是設計者應考量的，其中零件的材質、硬度、尺寸大小、形狀、尺寸精度、形狀精度等都是所考量的參數。
在製造產品時，最重要的是加工方法要有效率，而且要能生產出合於品質要求的產品。金屬經過冶煉之後，經由基本加工，變成適合生產製造的形狀和尺寸。最後之產品經常是由棒材或板材，以切削方法加工成所需之形狀和尺寸大小。因此對於金屬切削原理必須有深切的瞭解，方能得到經濟而有效的應用。金屬切削原理用在車削、鉋削、銑削、鑽削以及其他使用工具機來完成的加工操作。零件製造時是以小屑片的型式將金屬去除，而用來去除這些小屑片的切削刀具正是許多重要原理的核心。
十、 防腐設計
腐蝕係因環境之化學或電化學反應，使材料惡化或破壞。環境腐蝕之程度，係與大氣及各種水、化學物質、油氣、無機及有機酸有關。因腐蝕所生的污染影響製成品之純度與市場價值。由於腐蝕導致機械設備之破壞，且也會對操作人員造成傷害。
材料如果含有雜質，則特別會發生粒間腐蝕或晶界破壞，選擇浸液可移去合金之某一成份，但不影響其它者。腐蝕有時因金屬與腐蝕性流體間相互運動而加速，此乃形成金屬之不洽性表面膜。當流體必須改變方向之衝射，可能使金屬損壞。又如果拉應力及特別腐蝕媒質同時存在，可能發生應力腐蝕破壞。鋼之氫脆性也歸列於腐蝕之列。又因凹口及破裂使應力陡升，故腐蝕環境會降低金屬疲勞強度，此點於設計時應有所考量。防腐設計的重要性有三點：一為經濟性；二是改善操作中設備的安全性；三為節約資源。大多數採用的防腐設計是陰極防蝕法﹝cathodic protection﹞，或是腐蝕抑制劑﹝corrosion inhibitors﹞，或者使用鍍上金屬塗附﹝metal coating﹞來防止地下導管的腐蝕。
十一、 自動化裝配在設計時的影響
自動裝配的三要素為：裝組、移送、供給而自動化的系統最主要的差異即在移送方式。為使裝配自動化，最重要是把製品的設計改為適合裝配自動化。
製成的零件依裝配圖、裝配作業指示書而裝配成機械，裝配時如果用工模把零件定位或固定的話不只方便，而且有時是必要的。特別是量產時，為減短裝配時間，提高效率，也必須利用工模。有時組立零件須有方向性之考量，在整個設計過程中，自動化的組立設計是一個不可或缺的考量，因其可降低製程成本、提高效率、且適合量產。
十二、 結論
由以上各個製程的探討可以知道，設計時除材料的選擇外，熟悉各種加工方法及製造程序也是很重要的，去選擇一個最適合產品加工的方法可降低成本並提高效率。而除了會影響成本的因素外，對於產品的外觀、壽命、強度等也有影響，本文最重要的在於可提高零件壽命的防腐設計及可提高生產效率的自動化設計，以上這些都是身為一個設計師應該要考慮的。然而目前的設計師鮮少在設計時加入這兩點的考慮，往往造成資源的浪費以及效率的降低。而自動化生產卻往往成了製程工程師的工作，若是在產品設計時就加以考量，也可縮短產品製作的時間，進而提高產量。
十三、 參考資料
1. 松山芳志、三谷裕康、鈴木壽著, 賴耿陽編著, 粉末冶金學概論, 復漢出版社, 1984
2. 龔肇鑄編著, 鑄造學, 文京圖書有限公司, 1985
3. Herbert H. Uhlig著, 簡家淦、劉曉嶺譯, 金屬腐蝕與防蝕, 正言出版社, 1977
4. 瀨戶正二編著, 陳介聰譯, 射出模具設計基礎, 復漢出版社, 1987
5. 蘇品書編譯, 自動裝配組立工程, 復漢出版社, 1988
6. 賴耿陽編譯, 熱處理技術入門, 復漢出版社, 1982
7. 師文驥編譯, 機械產品設計細節, 徐氏基金會出版, 1972
8. 黃聖賢、鄭新有編著, 機械加工法, 復文書局, 1993
