专利名称：通过摩擦搅拌处理提高高尔夫球棒性能的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及高尔夫球棒的制造，更具体地说涉及对于金属高尔夫球棒头部的表面处理而提高其性能。
相关技术描述高尔夫球棒铁头一般设计成可把高尔夫球沿弹道轨迹推进，为此对一给定运行距离应尽量增加球的高度(即高飞球)。在这情况下，球可以在相对较大角度下冲击地面，使得它能较少滚动而保持接近地面冲击点，这可使打高尔夫球球员能练习如何更好控制球的最终落点。对于高质量的高尔夫球棒而言，正确地挥动时，球应该“直线”前进，即其弹道应该限定一个处于垂直平面中的弧形。这要求尽量减少水平旋转，使球基本上不致弯向“直线”弹道的左面或右面。另一方面，击打向后旋转(在垂直方向)的能力是可取的，以便使打高尔夫球球员能将球的滚动减至最小，或者为增进控制而使球向后滚动。
高尔夫球棒“面”，即打击球的球棒头部的平坦表面，形成不同角度以便提供不同的升高(loft)与运行距离之比。对于垂直方向的球棒面角度(在击球时)覆盖铁头的很大范围并且使推进距离越短角度越大。铁头一般具有多条水平凹槽，其外部边缘在打击时趋向于“握”球，以便将更多向后旋转传给球。这些凹槽还有利于除水，而水会改变球棒面的摩擦特性。
在其它因素保持不变前提下，升高对于距离之比主要由球棒面角度和球离开球棒面时的“发射速度”决定。较高的发射速度能够使用较大打击面角度的球棒达到一给定距离，这样的角度可获得较大的升高。相反地，对于同样发射角度，可以用增加的发射速度获得更大的距离。一种增加发射速度的方法是增加材料的硬度，包括球棒面，使得非弹性所引起的动能损失降低到最少限度。不过，由于牵涉到不规则形状，高尔夫球棒头部典型地采用熔模铸造来制取，这种铸造方法产生具有相对较大晶粒结构和低硬度的材料。
在高尔夫球棒面上可以固定较硬材料的镶嵌件，但是这并不能产生最佳效果。具体地说，从较硬材料取得的好处将被从镶嵌件和球棒头部交界之间能量转移所抵消。需要精密的机械加工和牢固的固定以便尽量减少这些损失，这将显著地增加制造成本。镶嵌件必须相对较厚，以承受球的冲击而不致变形。增加厚度减少了平衡球棒重量分布的灵活性。这样的灵活性的损失是严重的，因为周边的重量(在球棒面周围)通常用来尽量减少球棒扭曲的倾向和在打击中把水平旋转传递该球。水平旋转引起球偏离直线轨道。良好加重的球棒在其面上具有大片“好点(sweet spot)”以便击球时成为平直的轨迹。
制造具有提高棒面硬度的高尔夫球棒一种可能性是从细晶粒的工件锻造出高尔夫球棒头部。可以通过引进大范围的变形而在金属中获得减小的晶粒尺寸。为此可以采用一些常规的金属加工操作，如滚压、锻造、型锻和挤压。不过，这些金属加工操作改变全部材料的晶粒尺寸，因此诸如强度、延展性和耐冲击性等重要的整块性能也已改变。对于从细晶粒整块金属中锻出高尔夫球棒的耐冲击性降低将显著地限制球棒的耐用性和使用寿命。还有，通过这些金属加工的任何操作而获得显著的晶粒尺寸减少是不现实的和不经济的。应该注意，在锻造过程中在工件表面区域上发生一些晶体细化，但是在这种情况下晶体细化程度很小。还有，在高尔夫球棒铁头锻造中，变形金属的位置主要在空穴背面内而不在球棒正面。如此，在球棒制造中通过锻造获得的任何晶体细化将基本上不影响球棒正面的晶体尺寸而使球棒的硬度和性能不会得到显著改善。
摩擦搅拌处理(friction stir processing，FSP)涉及在金属材料中穿过旋转FSP工具以便局部地产生细晶粒的显微结构而提供改进的金属性质[F.D.Nicholas，先进材料处理6/99，69(1999)]。FSP操作典型地在室温中实施，但所涉及的摩擦和金属变形提高局部温度到刚好在固化温度以下，使经过摩擦搅拌处理的材料可以充分地再结晶而不熔化。摩擦搅拌处理引进的变形程度相当地大于传统金属加工方法能够获得的，这样可提供特别细小颗粒结构并且极大地改进硬度。此外，表面薄层可以经过摩擦搅拌处理改进其硬度而不致显著地影响整体金属的机械性能。摩擦搅拌处理已经在多种金属及其合金(包括铝、钛、青铜、和钢)中得到证明。FSP方法已经用来局部地提高金属铸造件的高应力区域的机械性能，但过去还没有用来提高高尔夫球棒表面的硬度。
发明内容
本发明提供一种改进的高尔夫球棒和通过摩擦搅拌处理(FSP)增加高尔夫球棒至少一部分表面硬度而提高高尔夫球棒性能的方法。增加表面硬度能增加球棒和球之间的动量传递效率以提供增加的升高、增加的距离和对于高尔夫球最后落点的较好控制。摩擦搅拌处理也往往会消除金属中可能会减少动量传递效率的空洞和缺陷。摩擦搅拌处理的表面也能够更加耐磨，从而能改善打球时的一致性和延长球棒使用寿命。本发明另一实施例是一种练习球棒，它能够在球打击在经过摩擦搅拌处理的“好点”内时根据更加确实的感受对球员提供性能反馈。
按照本发明，例如可以在高尔夫球棒头部经铸造或锻造形成以后，或者例如可用锻造方法在随后形成球棒头部的工件上进行摩擦搅拌处理。FSP深度一般是足够地小，这样使得底层整块金属的可锻性、机械性能和耐冲击性基本不受影响。这对于高尔夫球棒制造和周边增重，特别对于锻造球棒，提供了增加的柔性。一般需要表面再加工摩擦搅拌处理区域，较佳地采用磨削。表面再加工的部分操作可在球棒表面上机械加工所要求的特征(例如凹槽)。FSP处理的应用并不昂贵，可以以低成本加工制造高质量的高尔夫球棒。
本发明进一步的特征和优点对本领域的普通技术人员可以从下列结合附图的详细描述中将容易理解的。
附图简要说明
图1为摩擦搅拌处理高尔夫球棒表面的截面的光学显微图，显示经过FSP处理在表面区域中产生细晶粒显微结构。
图2显示摩擦搅拌处理的钢的硬度作为从表面到材料里面的距离的函数关系图。
发明详述本文中使用的技术术语一般对本领域的普通技术人员是已知的。成型涉及使金属工件变形成所要求的形状，一般通过施加力或者压力使工件变形而基本上符合心棒(冲头、冲模或印模)形状。术语“成型”包括“锻造”作为子集。锻造涉及使相对较厚金属工件(与冲压相比)通过施加力或压力，而且通常还加热变形成要求的形状。在本文中使用的术语“表面”指的是材料的表面区域。如此，表面的摩擦搅拌处理涉及将材料加工处理到实际表面以下的一预定距离。FSP工具为在摩擦搅拌处理过程中移动通过工件材料的旋转刀头。
本发明提供一种改进的高尔夫球棒以及通过摩擦搅拌处理(FSP)提高提高高尔夫球棒的至少一部分表面的硬度从而提高高尔夫球棒性能的方法。该表面是球棒在操作中接触高尔夫球的部分。增加表面硬度有助于增加球棒和球之间的动量传递效率，以便提供增大的升高、增加的距离和可对高尔夫球最后落点的控制。摩擦搅拌处理还有助于消除金属中空洞和缺陷，否则这些空洞和缺陷可能会降低动量传递效率。因为摩擦搅拌处理的表面层为高尔夫球棒表面的整体部分，所以可消除镶嵌件和高尔夫球棒头部之间交界处产生的能量损失。
经摩擦搅拌处理表面也更加耐磨，这有利于改善打高尔夫球时一致性并延长高尔夫球棒使用寿命。增加耐磨性应该对设计用来提高高尔夫球回旋的凹槽的外边缘是特别有利的。这些外边缘的磨损特别快并且对性能有实质性影响。FSP处理的应用并不昂贵，可使高质量的高尔夫球棒在低成本下加工制造。
按照本发明摩擦搅拌处理较佳地限于较薄的金属表面(1-3mm厚)区域，使得底层整块金属(underlying bulk metal)的性能不受影响。在此情况下，把硬度赋予球棒平面表面区域而基本上不影响支承材料的可锻性、机械性能或耐冲击性。这对于高尔夫球棒制造和周边加重提供了增加的柔性。例如，对锻造作业而言，用来锻造高尔夫球棒头部金属工件的整块性质可以最佳化，并且诸如良好的耐冲击性等性能特征仍可获得高性能所需的表面硬度。在本发明范围内，也可以采用较厚或较薄的摩擦搅拌处理区域。
按照本发明摩擦搅拌处理可以在高尔夫球棒头部形成以前或形成以后进行。在一较佳的实施例中，高尔夫球棒头部首先采用例如铸造或锻造形成，然后对球棒表面至少一部分实施摩擦搅拌处理。由于经过摩擦搅拌处理的表面一般不平整并且在某种程度上为粗糙的，因此通常必须再表面处理经过摩擦搅拌处理的表面，较佳地通过磨削。作为表面再加工过程的一部分，可以在球棒面上产生(或恢复)要求的特征(例如凹槽)。在另一实施例中，首先在金属工件(例如金属带、板或整块)上至少一部分上实施摩擦搅拌加工，然后较佳通过锻造形成高尔夫球棒头部，后者在其球棒面上具有至少一部分摩擦搅拌处理区域。在该情况下，摩擦搅拌处理区域较佳地在成型作业以前再表面加工，但是表面再加工也可以在球棒头部成型以后实施。本发明还提供一种高尔夫球棒和制造的方法，这是对于球员的表现提供反馈。在该实施例中，练习用球棒表面上的“好点”(使用这些点可以使球按照最佳轨迹推进)是经过摩擦搅拌处理的，而球棒表面的其余部分并未经过摩擦搅拌处理。一个熟练的高尔夫球员将感觉到，与较软的周围材料相比，球会被FSP硬化的“好点”更加坚实地击打。当球击打在FSP处理的好点上时感觉的差别可为球员改进其挥动球棒提供直接反馈。用于练习球棒的FSP处理的好点尺寸可以配合球员的熟练程度，对于比较熟练的球员尺寸可以小一点。此外，由于经FSP硬化的好点上的磨损大量减少，对于较软周围材料观察到的磨损程度可以用作球员行为长期的指示。在该实施例中，在FSP表面处理形成的好点以外显著的磨损将表明球经常打击在好点以外，在该处材料是较软的。未经过FSP处理的基底材料的柔软程度可以变化，以便将较快或较慢的表现反馈提供给球员。
提供可接受的细晶粒显微结构的任何摩擦搅拌处理设备和条件都可以用来实施本发明。在商业上可以供应各种形状和尺寸的FSP工具。典型的FSP工具具有螺旋形的销子和圆柱形肩部。销子的特征是在摩擦搅拌处理过程中使工件材料流向表面，并且具有在2mm到15mm范围内的直径。在FSP工具上销子的特征并不需要，但是为操作方便可以加上。肩部设计用来容纳和再锻造经过处理的材料并且具有6mm到50mm范围内的直径。典型的FSP工具材料为工具钢、多晶立方氮化硼、镍基超级合金，碳化钨和其它钨基合金。FSP工具典型地以150到2000rpm的转速旋转并且在50到7000毫米/分钟速度下沿工件的表面移动。摩擦搅拌处理设备商业上可以从MTS、通用工具公司和ESAB供应。本领域的普通技术人员将理解，各种工具设计可以用来获得同样提高硬度的效果。
较大区域一般是通过光栅处理进行摩擦搅拌处理，这涉及沿工件表面平行地通过多次FSP工具。光栅通过(pass)典型地是重叠的但这并非必须的。本领域熟练技术人员将理解，工具可以按各种其它图案移动，例如圆螺旋形而移动到摩擦搅拌处理较大的区域。
较佳实施例的描述具有431不锈钢头部的两个6号铁头的表面利用多晶立方氮化硼工具(其肩部为12.7mm直径)摩擦搅拌处理到1.6mm的深度。工具在900rpm下旋转，并且在倾斜角度为3度下，沿球棒表面中心线，在50毫米/分钟速度下通过。据估计表面温度接近1100℃。在FSP作业中工件积极地用水淬火冷却以冻结硬化的显微结构。对于各球棒表面均进行两次50％的重叠通过以便提供较大的击球好点。如果采用较大直径的工具可以避免这样的光栅处理。在FSP处理以后，球棒表面用磨削或研磨加工以除去表面粗糙和不平整，并且制出对球的旋转控制和除水所需要的凹槽。
实施例1-经摩擦搅拌处理的球棒头之一作为显微检查和硬度测定的剖面。图1示出了该剖面的光学显微图，该图阐明在表面区域中经过FSP处理产生的细晶粒显微结构。图2示出了从表面下不同距离利用努氏(Knoop)硬度试验机500克载荷测得的洛氏“C”硬度值(硬度印痕显示在图1中)。FSP处理使硬度从整块材料的大约26增加到在平面表面上的大于40。
实施例2-同样类型完整的摩擦搅拌处理(FSP)6号铁头与库存6号铁头(未经处理)由客观评价人进行比较，此人为职业高尔夫球棒装配工和高尔夫球专家。该评估人报告称，与库存6号铁头相比，用FSP铁头击球趋向于获得较高的升高和稍微较大的距离。评估人还报告说，用FSP 6号铁头击球时有更加坚实的感觉。
权利要求
1.一种提高高尔夫球棒性能的方法，包括下列步骤制造具有表面的高尔夫球棒头部；摩擦搅拌处理高尔夫球棒表面上的一预定区域；和表面再加工至少经过摩擦搅拌处理的所述预定区域以提供所需的表面拓扑结构。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，高尔夫球棒头部包括选自铝、钛、镍、铜、铁和其合金的金属。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述制造步骤包括铸造或锻造步骤。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，所述摩擦搅拌处理步骤是利用在150和2000转/分钟之间的速率下旋转的FSP工具实施的。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，所述摩擦搅拌处理步骤是利用在50到7000毫米/分钟的速率下沿工件表面上移动的FSP工具实施的。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，所述表面再加工步骤包括磨削步骤。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，所述所需的表面拓扑结构包括至少一凹槽。
8.一种改进高尔夫球棒性能的方法，包括下列步骤摩擦搅拌处理金属工件表面上的一预定区域；和制造一具有包括所述预定区域表面的高尔夫球棒头部。
9.如权利要求8的方法，其特征在于，所述金属工件包括选自铝、钛、镍、铜、铁和其合金的金属。
10.如权利要求8的方法，其特征在于，所述金属工件具有选自带、板和块的形状。
11.如权利要求8的方法，其特征在于，所述制造步骤包括锻造步骤。
12.如权利要求8的方法，其特征在于，所述摩擦搅拌处理步骤是利用在150和2000转/分钟之间的速率下旋转的FSP工具实施的。
13.如权利要求8的方法，其特征在于，所述摩擦搅拌处理步骤是利用在50到7000毫米/分钟的速率下沿工件表面移动的FSP工具实施的。
14.如权利要求8的方法，还包括下列步骤表面再加工至少经受摩擦搅拌处理的预定区域以提供要求的表面形状。
15.如权利要求14的方法，其特征在于，所述表面再加工步骤在制造步骤以前实行。
16.如权利要求14的方法，其特征在于，所述表面再加工步骤在制造步骤以后实行。
17.如权利要求14的方法，其特征在于，所述要求的表面形状包括至少一凹槽。
18.一种具有改进性能的高尔夫球棒，其中，包括具有表面的头部，所述表面包括摩擦搅拌处理金属。
19.如权利要求18的高尔夫球棒，其特征在于，所述摩擦搅拌处理金属选自铝、钛、镍、铜、铁和其合金。
全文摘要
摩擦搅拌处理(FSP)提供一种硬化的高尔夫球棒表面，它能够更有效地在高尔夫球棒和球之间传递动量，增加其发射速度，以便增加升高程度(作为一给定的高尔夫球运行距离)。FSP硬化的表面还更加耐磨，使得高尔夫球棒具有更一致的性能和更长的寿命。在表面上具有摩擦搅拌处理好点的练习球棒可以使高尔夫球员感觉到球是否打击在好点上。
文档编号B23K20/12GK1886178SQ200480035267
公开日2006年12月27日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年9月29日
发明者M·W·马奥尼 申请人:洛克威尔科学许可有限公司