高尔夫球杆头的制作方法

专利名称：高尔夫球杆头的制作方法
技术领域：
本发明，有关金属制的高尔夫球杆头。
背景技术：
一直以来，我们认为，通过在高尔夫球杆头的内面进行喷丸处理，可以残余应力和除去氧化皮以提高疲劳强度。例如，日本国特开2003-10366号公报等所记载。
但是，根据本发明人等的研究判明，单单地实施喷丸处理往往得不到效果，根据不同条件反而成为引起疲劳破坏的原因。具体地说，进行弧高值不足0.3mmA的一般性钢砂喷丸处理时，疲劳强度并未提高。此外，判明了因喷丸造成击球面划伤的情况，可以预测这可能会成为疲劳破坏的发端。
此外，还判明可能喷丸会引起对构件不利的变形，或自喷丸引起细微的伤痕造成疲劳破坏。当进行弧高值超过0.8mmA的硬的钢砂喷丸时，喷丸将引起构件较大的变形，损坏高尔夫球杆头的功能及美观等，事实上使高尔夫球杆的制造困难。
本发明，鉴于这种情况，将提供使利用喷丸处理带来的防止击球面部疲劳、破坏、变形的效果变成实效，并且壁更薄且反弹性高、惯性力矩大、飞行距离和方向性都优异的高尔夫球杆头。

发明内容
本发明相关的高尔夫球杆头，其特征在于，对击球面的背面进行了弧高值为0.3mmA至0.8mmA的硬喷丸处理。使用固体的钢砂材料进行钢砂喷丸时，钢砂材料应使用无角的形状、且直径为1～3mm的球体比较理想。除了钢砂喷丸法以外，激光喷丸法也比较适合。喷丸处理，应至少对击球面背面的中央部进行喷丸处理。
利用上述手段，可以得到以下的作用。
1.由于对击球面背面进行弧高值为0.3mmA以上的硬的喷丸处理，因此击球面背面部残留较大的压缩应力。
2.钢砂喷丸时，由于使用具有无角形状的钢砂材料，所以可防止表面因喷丸处理而划伤。
3.材料表面虽有轧制等加工时产生的条状的微细伤痕，但是经过喷丸处理，消除该条状的微细伤痕。但是，钢砂喷丸时钢砂材料直径为1～3mm时。
4.由于弧高值小于0.8mmA，所以可以控制喷丸产生的构件的变形。通过只限于对击球面中央部进行喷丸处理，可以进一步使构件的变形控制最小。
高尔夫球杆的击球面部，在击打时其背面受到较大的拉伸应力作用，如上述1所述，本发明的高尔夫球杆头在击球面背面残留了压缩应力，所以拉伸应力与压缩应力相抵，使击打时产生的应力减少。进而，如上述3所述，消除了材料最初具有的表面的微细伤痕，从而消除了可成为疲劳破坏发端的要素。由此，本发明的高尔夫球杆头疲劳强度极高、且难以产生击打时引起的永久变形。可是，因喷丸造成新的微细伤痕的话，则很可能会产生相反效果。因此，如上述2所述，当钢砂喷丸有可能造成微细伤痕时，应使用无角的钢砂材料，最理想的是使用球体的钢砂材料，以此防止它出现。
利用本发明的话，可以把高尔夫球杆头进一步制成薄壁，利用它可以提高反弹性，增加惯性力矩，使重心位置更加合理化。
附图简单说明

图1、图2都是非常适用本发明的木球杆头的一例的立体图，符号1为击球面、符号2为头本体。此外，以下所有图中共用这些符号。
图3是非常适用本发明的铁球杆头的一例的立体图。
图4是非常适用本发明的木球杆头的其他例，是具有从击球面上下向后方延伸的伸出部的例的立体图。
图5是非常适用本发明的铁球杆头的其他例，是具有从击球面上下向后方延伸的伸出部的例的立体图。
图6是为验证本发明效果而使用的试验用头本体2-T和试验用击球面1-T的主视图。
图7是表示球击打试验中弧高值和击球面破坏击打数关系的图。
图8是表示球击打试验中弧高值和1000打后击球面凹陷变形量关系的图。
图9是钢砂喷丸的一般说明图，它表示钢砂材料3和工件4撞击状态的图。本发明中进行钢砂喷丸时，工件4相当于击球面1。
具体实施例方式
首先，就喷丸处理的一般效果，以钢砂喷丸情况进行说明。钢砂喷丸，如图9所示，通过钢砂材料3的撞击使工件4的表面附近局部变形。通过与大量钢砂材料3反复进行撞击，工件4的撞击面附近，在工件4的壁厚方向及撞击面方向残留压缩应力。结果，工件4的撞击面方向产生的应力，大致变成撞击面表面侧大、越向内侧越小的分布。详细看的话，残留应力最大处不是表面，而是在离表面内侧一点，关于这一点，后面将详述。其他喷丸方法也几乎残留同样的应力。
接着对本发明的高尔夫球杆制造时的概要进行说明。本发明可适用于所有形状和结构的高尔夫球杆头，但非常适合如图1～5所示的在由一或二个以上构件组成的头本体2上接合击球面1的结构的高尔夫球杆头。这是因为，由于具有进行喷丸处理的击球面背面的击球面1是与头本体2分离的构件，所以容易进行喷丸处理。进而，击球面1采用高强度材料，再加上本发明的效果，从而还可进一步实现高强度化。
击球面1和头本体2接合的工序，适合在喷丸处理后进行。这是因为，如上所述，由于可在击球面单体的状态下进行喷丸处理，所以处理变得容易。此外，还可以防止对不要部分进行喷丸处理，造成不必要的变形。而且，最主要的是它还可以在喷丸处理前进行击球面1和头本体2的接合工序。例如，有在头本体2的局部开设开口部，通过该开口部进行处理的方法。但是，头本体2的结构往往很复杂。另一方面，还具有可排除因高尔夫球杆头最通常接合的焊接的热而造成丧失本发明效果的可能性的效果，应考虑与其他要素的均衡进行选择。
以下就因热使本发明效果消失的情况，以及击球面1和头本体2的接合进行说明。众所周知，金属材料其组织因温度而变化，热处理就是利用这个特性。组织变化的话，残留的应力消失。使残留应力丧失的温度，可以以金属材料的再结晶温度为尺度。因此，需要喷丸处理的效果的部分，必须使温度控制在再结晶化温度以下。再结晶化温度因金属种类而异，对于高尔夫球杆头使用的不锈钢、马氏体时效钢、钛合金而言，其温度大约为300℃，比较低。
因此，在制造本发明的高尔夫球杆头时，如果能采取以下措施的话，也可以认为是比较理想的。
·做成不需要接合的高尔夫球杆形状·或者选择不需要加热的接合·或者在喷丸处理前进行接合做成不需要接合的形状时，则不需要考虑接合强度，制造极其容易。但是，高尔夫球杆的形状显著受到限制，只能适用于极少数种类的高尔夫球杆。不可能制造一般所谓的木球杆及空心铁球杆的空心型高尔夫球杆头。此外，制造所谓袋型铁球杆的背面凹部为凹下结构的高尔夫球杆头也很困难。
作为不需要加热进行接合的例子，可以考虑铆接、销和螺旋固定这类机械式接合方法或者粘接。不需要加热这一点固然很好，但是存在着接合强度的问题。容易产生间隙和松动等也是难点。
在喷丸处理前进行接合的方法，如前面所述。
考虑以上情况，本发明人等认为，与上述三种方法相比，在喷丸处理后用各种焊接法进行接合的方法是现实的。这认为是对喷丸处理前进行接合的方法进行改善的方法。鉴于这项技术是以发明时的接合技术为前提，所以本发明的范围并不限于这些。
以下，说明适合在喷丸处理后进行接合的焊接手段。激光焊接及电子束焊接之类的只对极小范围进行加热的接合方法最适合。这些接合方法由于只有效地对接合部进行加热，所以到达喷丸处理部的热量很少，因此喷丸处理部温度上升控制在最小。但是，即使如此，由于喷丸处理部的温度还是上升，所以最好同时采取防温升的措施。例如，在喷丸处理部一边吹冷却气体一边进行焊接的方法、一边使喷丸处理部接触散热构件一边进行焊接的方法等。如果能够提高这些冷却和散热能力的话，也可以选用一般性的TIG焊(惰性气体保护钨极电弧焊)等。此外，从防止接合部及其周围氧化等的观点，冷却气体最好使用惰性气体。
激光焊接及电子束焊接，由于必须要求接合的构件间有较小的间隙，所以对双方接合部分进行机械加工比较理想。
利用高尔夫球杆头的构件形状，也可防止向喷丸处理部的热传导。比如，可以举出具有从图4、5所示的上下向后方延伸的伸出部的击球面1.由于接合部偏离最需要喷丸处理效果的击球面的中央，所以接合时的热所传导的量较少，从而可以减少该部分的温升。
另外，上述喷丸效果的减少和消失并不限于接合时，由于与喷丸处理后的所有处理有关，所以，特别是对于击球面1的中央附近，不能进行温度超过300℃的热处理等。因此，需要热处理时，应在喷丸处理前进行。当然，不超过300℃的低温处理，也可以在喷丸处理后进行。
由此，本发明人等考虑的本发明的最佳实施形态如下·作为头结构，采用具有从如图4、5所示的上下向后方延伸的伸出部的击球面1。
·预先对击球面1进行热处理。
·然后，对击球面1的背面进行弧高值为0.3mmA至0.8mmA的喷丸处理。
·喷丸的方法为，使用了直径为1～3mm的球体的钢砂材料的钢砂喷丸或者激光喷丸。
·喷丸处理之前或之后，对击球面1和头本体2的接合部分进行机械加工，以减少接合部的间隙。
·进而，接着再用激光焊接或电子束焊接进行接合。
·上述焊接时，一边在喷丸处理部吹冷却的惰性气体一边进行焊接。
以下所示的是本发明人等实施和试验本发明时的结果。
为了确认喷丸的效果，使用图6所示的在试验用头本体2-T上螺旋固定试验用击球面1-T的高尔夫球杆头，反复击打高尔夫球，记录1000打后的变形量及破坏时的击打数。此外，击打时的头速度为40m/sec。
试验用头本体2-T是外侧为90mm×70mm、内侧为70mm×40mm的框，并且在侧部设置了上仰角为15°的长柄安装用的颈口。此外，在四角设置为固定试验用击球面1-T的螺纹孔。试验用击球面1-T为与试验用头本体2-T的外形相同的90mm×70mm的板材，壁厚约为2.2mm。此外，不与试验用头本体2-T接触的中央部70mm×40mm部分的背面侧几乎均匀地用超声波钢砂喷丸装置进行钢砂喷丸处理，使螺钉通过设于四角上的孔以固定在试验用头本体2-T上。
试验用击球面1-T的第一试验材料为具有13V-11Cr-3Al组成的钛合金的轧制材料。第二试验材料为具有15V-6Cr-3Al组成的钛合金的轧制材料，第三试验材料为具有15V-3Sn-3Cr-3Al组成的钛合金的时效处理材料。对它们进行不同弧高值的钢砂喷丸处理。
实验结果如表1～3及图7、8所示。在表1～3中，破坏打数为试验用击球面1-T破坏时的打数。1000打后的变形量，表示的是最初为平面的试验用击球面1-T的击打面的中央部经1000次击打后凹陷的量。此外，比较例1-1、2-1、3的弧高值为0.00mm，但是这意味着未实施喷丸处理。实测壁厚为钢砂喷丸后实测的壁厚，是对多处试验用击球面1-T的壁厚进行测量的平均值。弧高值是对其试验用击球面1-T实施了喷丸处理的值。使用钢砂材料直径为钢砂喷丸使用的钢砂材料的直径。图7、8是针对每种材料以弧高值分别对破坏打数和1000打后的变形量进行绘图后得到的图。
表1

表1是上述第一试验材料的实验结果。比较例1-2弧高值为0.20mmA，作为对高尔夫球杆头进行的喷丸处理，在现有的众所周知的方法中，属于相当强的喷丸处理。但是，以与未进行喷丸处理的比较例1-1几乎相同的打数就遭破坏，未见疲劳强度有所改善。另一方面，在进行弧高值为0.40及0.66mmA这种非常强的喷丸处理的实施例1-1～3中，破坏打数为比较例1-1～2的一倍以上，疲劳强度明显得到改善。即使对图7更加清晰表示的1000打后的变形量进行比较，实施例也比比较例得到改善。
根据以上判明，在本试验中，在提高疲劳强度和防止永久变形的两个方面，弧高值越大则效果越显现，特别是在提高疲劳强度方面，存在着弧高值0.20mmA和0.40mmA限界，如果弧高值不取这些值以上值的话，则得不到相应效果。
表2

表2是上述第二试验材料的实验结果。若看1000打后的变形量，当弧高值为0.20mmA，则与未进行喷丸处理的情况相同，但是当弧高值为0.40mmA以上时，则变形量明显减少，并在其间存在限界。从图8可以进一步明确这个关系。由图7可知，在破坏打数下，虽然没有发现弧高值的临界的限界，但是弧高值越大，则破坏打数越高，从而疲劳强度提高。
根据以上判明，在本试验中，在提高疲劳强度和防止永久变形的两个方面，弧高值越大则效果越显现，特别是在防止永久变形方面，存在着弧高值0.20mmA和0.40mmA限界，如果弧高值不取这些值以上值的话，则得不到相应效果。
表3

表3是上述第三试验材料的实验结果。本例是进行喷丸处理时和进行弧高值为0.60mmA喷丸处理时的比较，进行了喷丸处理时，破坏打数和1000打后的变形量都提高，确认到了本发明在提高疲劳强度和防止永久变形方面的效果。
如上所述可知，使用一般性材料的高尔夫球杆头，可确实得到提高疲劳强度和防止永久变形这两方面效果的弧高值的限界为0.20mmA和0.40mmA之间，即弧高值0.30mmA。
另一方面，这种局部残留的应力，产生了与喷丸处理面平行的方向的力矩，喷丸处理面侧成为凸起的变形，发生了翘曲。这是因为，由于该翘曲，撞击面侧附近的压缩应力降低，在相反面附近产生拉伸应力，所以上述力矩为零而稳定。也就是说，只要使一方的面附近残留面方向的压缩应力，翘曲不可避免。此外，所谓喷丸处理部是指因喷丸处理而残留应力的整个部分，所谓喷丸处理面是指喷丸处理部中实施了处理侧的表面。
本发明人等，用表1～3所记载的材料和条件，还尝试进行了弧高值为0.80mmA的钢砂喷丸，由于钢砂喷丸，试验用击球面1-T发生较大的翘曲，不能进行击打试验。高尔夫球杆头的击球面，对于木球杆头时外为凸、对于铁球杆头时必须是平面，然而对击球面1的背面进行喷丸处理时，由于翘曲在使击球面凹陷的方向发生，所以翘曲较大的话，不能作为高尔夫球杆头发挥功能。也就是说，由喷丸处理残留的应力越大，就越能使击打时发生的应力控制较小，同时击球面的翘曲也变大，从而存在着高尔夫球杆制造困难的问题。如上所述，弧高值为0.66mmA的试验用击球面1-T保持充分的平面性，可以安装在试验用头本体2-T上进行击打。由以上结果可以认为，当弧高值为0.80mmA以上时，实际的头的使用很困难，弧高值应为0.80mmA以下。
但是，也有预先进行试验，测量喷丸的变形量，把击球面1成形为考虑了其变形的形状再进行喷丸处理，以得到所希望形状的击球面1的方法。当需要进行弧高值为0.80mmA以上的、更硬的喷丸处理时，或者虽然低于该弧高值，但是需要更高精度的击球面1时，可以使用该方法。弧高值低于0.80mmA时，不需要进行预备试验及成形。
以下，详细说明喷丸处理。首先，如上所述，由于喷丸处理残留压缩应力，所以在击打时产生拉伸应力的部位实施喷丸处理的话，则可以减小最大应力。相反若对发生压缩应力的部位进行喷丸处理的话，那么喷丸处理产生的压缩应力和击打引起的压缩应力相加，使最大应力变大，从而促进疲劳而可能导致破坏。虽然我们知道有对高尔夫球杆头的击球面1的表面侧进行喷丸处理的高尔夫球杆头，但是由于这恰好是其相反效果的情况，所以应对此加以留意。若对击球面1的表面侧进行喷丸处理的话，最多只是为了除去氧化皮等的目的，仅限于残留应力极小的处理。
此外，鉴于喷丸处理产生变形，所以处理范围最好控制在必要的最小程度，只在击打时发生较大拉伸应力的击球面背面的中央附近进行处理最合适。由于发生较大拉伸应力的范围因高尔夫球杆头和击球面1的形状而异，所以希望通过FEM进行模拟等个别地确定处理范围。作为大致的参照基准，对以击球面中央为中心的横3cm、纵2cm的椭圆范围左右进行喷丸处理最好。
如上所述，喷丸处理的方法，除了钢砂喷丸外，还适合激光喷丸。激光喷丸，就是对材料表面照射激光，通过材料烧蚀发生的高压的等离子产生高的冲量，利用该冲量残留应力。一般激光喷丸，可以残留比钢砂喷丸更深层的应力，可以使疲劳强度更高。此外，由于不使用钢砂材料，所以还不必担心钢砂材料引起的凹陷带来不良影响。
钢砂喷丸时，超声波钢砂喷丸是有利的。这是因为，钢砂材料的粒数比较少，并且容易交换，容易获得光滑面的缘故。空气式钢砂喷丸，使用大量的高价粒子，长期使用时粒子新圆度毁坏，难以得到稳定光滑的表面，这一点是不利的。此外，还有与钢砂材料同时喷射液体的方法。称为湿喷丸、水喷丸或者喷水钢砂喷丸。
钢砂喷丸时，使用的钢砂材料3的硬度需要比击球面1的材料更硬。在本发明人等进行的上述试验中，使用的是高碳铬轴承钢SUJ2。它的硬度为Hv790左右，比试验用击球面1-T使用的各种钛合金的硬度(大致为Hv350左右)都硬。这是因为，若钢砂的硬度较小的话，即使与击球面1撞击也不能产生充分的局部变形，从而不会残留压缩应力。
此外，钢砂材料3应使用一定程度大小以上的钢砂。如上所述，本发明还具有消除喷丸处理面微细伤痕的效果。该微细伤痕是因金属材料轧制等而产生的条状的伤痕。这是因为，钢砂材料3较小的话，不能充分地消除该微细伤痕。另外，还因为，钢砂喷丸由于会形成因钢砂材料3造成的凹陷，所以钢砂材料3较小的话，凹陷也较小，其凹陷本身很有可能会成为疲劳破坏的发端。在本发明人等的试验中，使用直径为1mm以上的球作为钢砂的话，则可以充分地消除上述微细伤痕，并且，钢砂材料3造成的凹陷不会成为疲劳破坏的发端。由此可以认为，钢砂材料3应为无角的形状且使用一定程度较大的钢砂，直径为1mm以上的球体比较理想。
然而，考虑到目前可用于高尔夫球杆头处理的喷丸装置，钢砂材料直径上限应为3mm。这是因为，大于这个上限的话，钢砂材料重量加重，喷丸装置不能使钢砂材料充分加速，得不到必要的弧高值。
下面就有关喷丸更适合的例子进行说明。首先，有两次进行喷丸处理的方法。最初进行喷丸处理后，再进行比第一次平稳即弧高值较小的第二次喷丸处理。通过喷丸处理，硬度更大，应力残留最大的部位不是表面，而是稍位于内侧。但是，击打时最大拉伸应力发生部位为表面，所以可能的话，希望提高表面的硬度和残留应力。因此，稍微增加软的喷丸将实现这个效果。
为了防止上述钢砂材料造成的凹陷成为疲劳破坏的发端，其防止措施有在喷丸处理面上涂覆树脂的方法。树脂最好使用环氧系，在其中混合金属粉也非常合适。这是因为，通过在作为小的伤痕状的上述凹部加入树脂，可以防止缺口效应。
本发明还适合同时使用氮化处理。如上所述，钢砂喷丸残留的应力由于限于较浅的层，所以击打产生的应力较大时，残留应力往往不充分。氮化由于会强制使氮原子或分子渗入金属组织内，所以产生残留应力。并且，由于氮进入到比钢砂喷丸效果涉及的层更深的层中，所以还可以使残留应力产生到较深的层中。但是，由于渗入的氮原子等的量有限，所以产生的残留应力也有限。另一方面，因击打引起击球面1发生的拉伸应力背面最大，且越到内侧越小，在壁厚的中央附近为零。残留应力由于可以事先产生以对此抵消，所以通过氮化使应力残留到深层，利用喷丸处理进一步提高背面附近的残留应力。
如上所述，由于温度超过再结晶化温度的话，残留应力消失，所以最好先进行氮化，后进行喷丸处理。但是，若是最近推广使用的低温氮化方法的话，也可以在喷丸处理后进行。关于把这种低温氮化应用于高尔夫球杆的情况，希望参照本发明申请人提出的日本国特许出愿2003-121259号的说明书及附图。
此外，还适合在钢砂材料3中混合C60及C70等富勒林(fullerene)类、碳纳管(carbon nanotube)或毫微钻石(nano diamond)等毫微数量级物质进行钢砂喷丸。这是因为，钢砂喷丸时，毫微数量级物质侵入金属材料内，由此可以提高强度。此外，关于利用混合了毫微数量级物质的金属材料制造高尔夫球杆头的内容，希望参照本发明申请人提出的日本国特许出愿2000-190192号(日本国特开2002-000778号公报)的说明书及附图。毫微钻石，包含由直径为5nm左右的单晶钻石或者直径为15nm左右的多晶结构组成的或集束化的钻石。
另外，本发明的高尔夫球杆头，不用说，并不限于上述的实施形态，在不超出本发明主旨的范围内，可以加上各种变更。
产业上利用可能性如上所述，本发明相关的高尔夫球杆头，可以使击球面做成薄壁，并提高反弹性，增大惯性力矩，使重心位置更加合理化，以此可提供打球的飞行距离、方向性以及对于高尔夫球手的操作性都优异的高尔夫球杆。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.(修正后)一种高尔夫球杆头，其特征在于，对击球面的背面，在弧高值为0.3mmA以上但不足0.8mmA的范围，实施使用粒径为1～3mm的钢砂材料进行的钢砂喷丸处理或激光喷丸处理。
2.(修正后)一种高尔夫球杆头，其特征在于，对击球面的背面，利用使用粒径为1～3mm的钢砂材料的钢砂喷丸法或激光喷丸法，在弧高值为0.3mmA以上但不足0.8mmA的范围进行第一次喷丸处理，进而以比第一次弧高值小的弧高值进行第二次喷丸处理。
3.(修正后)如权利要求1或2所述的高尔夫球杆头，其特征在于，在喷丸处理前完成热处理、焊接等随着构件高温化进行的接合和处理。
权利要求
1.一种高尔夫球杆头，其特征在于，对击球面的背面进行弧高值为0.3mmA以上的硬喷丸处理。
2.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，使用粒径为1～3mm的钢砂材料进行喷丸处理。
3.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，只对击球面背面的中央部分进行硬喷丸处理。
4.如权利要求1所述的高尔夫球杆头，其特征在于，弧高值设为不足0.8mmA。
全文摘要
对击球面构件的背面，进行弧高值为0.30～0.80mmA的硬的喷丸处理，使击球面构件的背面残留较大的压缩应力。由此，降低击打球时在击球面背面发生的最大应力，从而可以得到防止击球面部疲劳、破坏和变形的效果。喷丸使用的钢砂材料最好使用直径为1～3mm的球形钢砂材料。利用本发明，高尔夫球杆头的击球面部可以做成薄壁，利用它，可以提高高尔夫球杆头的反弹性，增大惯性力矩，使重心位置更加合理化。结果，可以提供飞行距离和方向性都很优异的高尔夫球杆。
文档编号B24C1/10GK1826156SQ20048002068
公开日2006年8月30日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年6月18日
发明者双田武夫, 清水哲雄, 小林利行, 川濑春男, 佐佐木靖 申请人:丸万株式会社