CN100536964C - 高尔夫球杆杆头 - Google Patents

Abstract

提供了一种高尔夫球杆杆头，所述高尔夫球杆杆头具有规定范围内的回复系数，并易于击球。其击球表面由具有各向异性杨氏模量的材料制成。优选地，所述表面材料上的最大杨氏模量方向垂直于表面上的水平方向。

Description

高尔夫球杆杆头

发明领域

本发明涉及一种高尔夫球杆杆头，具体地，涉及一种具有改进表面的高尔夫球杆杆头。

背景技术

优选地，高尔夫球杆杆头具有：为获得高复原性而具有低硬度；为获得耐用性而具有高疲劳强度；以及为降低重量而采用低密度材料。与这些要求相对应，钛合金制高尔夫球杆在近年来得到了广泛应用(参见专利文献1)。

在击球时，球杆杆头的硬度表现出复原力。相应地，由于所谓的“类弹簧效应”，较低的硬度能获得较长的击球距离。因为表面的硬度与表面厚度的立方成正比，所以优选采用较薄的表面。

因为表面必须有一定等级的疲劳强度，以便经得住击球时表面的挠曲，所以优选采用较高的疲劳强度。在没有由球造成表面损伤的情况下，由高疲劳强度材料制成的球杆杆头允许较长的击球距离。

从高尔夫球杆的操作性来看，其表面优选采用低密度材料。当表面部分的重量较大时，球杆杆头的重心移向表面，这会减小被称为“有效击球面积(sweet spot)”的面积。

在上述情况下，与以前相比允许更长击球距离的高尔夫球杆近年来已经被广泛配销。结果，本应是选手间技术较量的高尔夫运动，却显著依靠工具的优势。这种趋势可能减弱高尔夫运动作为比赛的吸引力。与这种动向相对应，人们已经决定从2008年起把球杆杆头的回复系数(COR)规定到0.83或者更低(上述限制已经在高尔夫比赛中施行)。

然而，如果采用现有材料而获得低回复系数，其表面则需加厚，这便增大了球杆杆头的重量，并使球杆杆头的重心移向表面，从而造成操作性上的问题。

在上述背景下，需要一种更容易击打同时又抑制回复系数增大的高尔夫球杆杆头。然而，那种类型的球杆杆头尚未设计出。

专利文献1：日本专利，公开号为：2003—38690

发明内容

对应于上述情况，完成了本发明，本发明的一个目的是提供一种高尔夫球杆杆头，其具有不高于校准值的回复系数，并且易于击打。

为解决上述问题，本发明的发明人进行研究，并得到了下述发现。

(a)为使高尔夫球杆杆头易于击打，且同时抑制其回复系数的增大，增加其材料硬度是很有效的。

(b)与具有非各向异性杨氏模量的材料相比，球杆表面材料内杨氏模量各向异性的出现增加了硬度，特别是，使杨氏模量的方向垂直于表面上的水平方向后，能够获得更高的硬度。

(c)经过(α—β)钛合金经常采用的横轧后，杨氏模量变为几乎是各向同性的。然而，通过施加基本单向的轧制，杨氏模量表现出显著的各向异性，从而使得最大杨氏模量位于与轧制方向或者主要轧制方向垂直的方向上。

(d)从杨氏模量各向异性的产生和保证必要强度的方面来看，(α—β)钛合金是有效的。

基于以上发现，完成了本发明，本发明提供了下面的(1)—(6)。

(1)一种高尔夫球杆杆头，其击球表面由杨氏模量为各向异性的材料制成。

(2)如(1)中所述的高尔夫球杆杆头，其表面材料的最大杨氏模量方向垂直于在表面上的水平方向。

(3)一种高尔夫球杆杆头，其具有由轧制板料制成的击球表面，所述轧制板料通过基本上沿着一个方向轧制而得以制备，以使主要轧制方向成为表面上的水平方向。

(4)如(1)到(3)中任一所述的高尔夫球杆杆头，其中，所述表面材料是钛合金。

(5)如(4)中所述的高尔夫球杆杆头，其中，所述表面材料是(α—β)钛合金。

(6)如(5)中所述的高尔夫球杆杆头，其中，以质量百分比计算，钛合金实质上包含，3.5—5.5％的Al、2.5—3.5％的V、1.5—2.5％的Fe、1.5—2.5％Mo、0.25％或更少的O，和其余的Ti以及不可避免的杂质。

因为本发明采用了杨氏模量是各向异性的材料作为击球表面，所以与杨氏模量是非各向异性的材料相比，表面硬度得以增加，从而在没有增加表面厚度的情况下，抑制了回复系数，同时实现了一种具有回复系数小、重量轻、易于击打球的高尔夫球杆杆头。具体地，通过将构成所述表面材料中的最大杨氏模量的方向选择为垂直于表面上的水平方向，从而进一步增加了表面硬度，并且进一步减轻了球杆杆头重量。具体地讲，如果击球表面由基本上仅沿着一个方向轧制制备而成的轧制板料构成，所述基本上仅沿一个方向以仅沿着一个方向(单向轧制)为代表，当主要轧制方向变为表面上的水平方向，最大杨氏模量的方向变为垂直于表面上的水平方向时，从而便获得具有回复系数小且重量轻的高尔夫球杆杆头。

附图说明

图1是一个高尔夫球杆杆头的示意图。

图2示出了在正交弹性材料模型中，直接弹性模量的方向的相关性(材料切割角度θ)。

图3示出了在FEM分析中使用的网格图。原点是击球点。

图1中的附图标记是：

1：高尔夫球杆杆头

2：表面

3：顶部(crown)

4：底部

5：颈部(hosel)

具体实施方式

下面将详细描述本发明的实施例。

图1所示为本发明的一个实施例的高尔夫球杆杆头的透视图。高尔夫球杆杆头1(下文中都称为“杆头”)具有：击球表面2；顶部3，其从表面2顶端延伸并形成杆头1的顶部；底部4，其形成了杆头1的底部；以及连接球杆的颈部5。

表面2由金属或者合金制成，典型地由钛合金制成，且表面2的杨氏模量是各向异性的。优选地，表面2具有的最大杨氏模量的方向垂直于其水平方向。此处所称的垂直于水平方向并不限于完全垂直于方向，而是允许偏离垂直方向大约±15°。在该范围内，杨氏模量能够比其他方向的要大。

由于杨氏模量呈各向异性，所以与基本上是各向同性杨氏模量的传统表面相比，表面2的硬度得以增加，从而回复系数得以降低。

(α—β)钛合金板料广泛用作传统杆头的材料，(α—β)钛合金是通过横轧制造的，所述横轧是沿着正交的两个方向进行轧制的。因此，当所述表面采用那种类型的材料时，杨氏模量变为基本上是各向同性的。然而，如上面所述，通过使杨氏模量成为各向异性，与传统的相比，硬度便能够得以提高。

为了提供各向异性的杨氏模量，采用沿着基本上一个方向轧制的板料是很有效的，典型地是采用仅沿着一个方向上轧制的板料(单向轧制)。为了使得材料的最大杨氏模量的方向垂直于在表面2上的水平方向，则须使所述类型轧制板料的主要轧制方向处于在表面2上的水平方向上。

表面2的优选材料是钛合金，钛合金是典型的、且得以广泛应用的杆头材料。然而，除了钛合金，例如合成材料也是有效的。因为钛合金强度高，且与钢和其他材料相比，其密度低，因而它们能够减轻杆头的重量。另外，由于钛合金的疲劳强度较高，因而具有很高的耐用性。与普通金属和合金相比，合成材料具有相对于其密度而言较大各向异性的杨氏模量。另外，纤维合成材料具有较大各向异性的杨氏模量。因此，为了实现本发明的目的，钛合金和合成材料都是高度优选的。

关于钛合金，优选采用(α—β)钛合金。(α—β)钛合金更容易提供各向异性的杨氏模量，同时与β钛合金相比，能维持足够的强度。

以重量百分比计算，优选的(α—β)钛合金包含，3.5—5.5％的Al、2.5—3.5％的V、1.5—2.5％的Fe、1.5—2.5％Mo、0.25％或更少的O和其余的Ti和不可避免的杂质。所述类型的钛合金具有高强度，具体地是具有高疲劳强度，从而它高度优选作为高尔夫球杆表面的材料。

所述类型的钛合金能够通过如下方式制造：将具有上述成分的原料加热到(β-转变温度-250℃)和β-转变温度之间的一定温度，然后进行例如热锻、热轧和热模压的热加工，使得厚度减小50％或者更多，优选地减小75％或者更多。

下面的描述是关于确定轧制方向和使用具有在上述范围内成分钛合金的杨氏模量之间关系的结果，并且是关于利用有限元分析(FEM分析)来确定杨氏模量的各向异性和表面硬度之间关系的结果。

所使用的材料是具有上述范围成分的单向轧制钛合金板料。沿如下方向确定杨氏模量(直接弹性模量)和泊松系数：轧制方向(L方向)；垂直于轧制方向的方向(T方向)；以及与轧制方向成45°的方向。结果如表1所示。

FEM分析采用在FEM分析程序ANSYS的元件模型里使用的正交弹性材料模型。作为分析的特点，使用表2中给出的值。各向同性的杨氏模量是115GPa。图2示出了在正交弹性材料模型中，直接弹性模量方向的相关性(材料切割角度θ)。

FEM分析模型将所述表面近似为五边形。所述表面在与杆头水平方向(Y)相垂直的方向上的尺寸是40mm，且在杆头上沿着水平方向(X)的尺寸是80mm，且板料厚度是3mm。通过由图3中给出的FEM分析网格图形来进行分析。网格图形的中心原点对应于击球点，同时在所有位移中限制周围点。沿Z方向对击球点(X—Y坐标原点)施加1牛顿(N)的作用力，确定该点沿着Z方向的位移δ。硬度则由作用力(1N)除以位移δ而得出。

在四个实例里确定所述硬度：各向同性的杨氏模量，类似于传统的横轧(实例1)；大杨氏模量的方向(垂直于轧制方向)为表面上的水平方向(实例2)；大杨氏模量的方向垂直于表面的水平方向(实例3)；大杨氏模量的方向为45°(实例4)。结果如表3所示。

如表3中所示，与具有非各向异性杨氏模量的实例1相比，具有各向异性杨氏模量的实例2—4则有更高的硬度，其与实例1相比，硬度等级比是1.05或者更大。特别是实例3，其硬度比是1.12，这比实例1增大了12％。

如上所述，当表面材料的杨氏模量具有各向异性时，硬度要比传统情况下具有各向同性的杨氏模量时变得更大，这便允许在回复系数减小的情况下，不会增加表面厚度。

虽然上述描述是在钛合金的情况下给出的，但是本发明也适用于除了钛合金外的金属或者合金，并且也适用于上述的合成材料。

表1

 

样品方向	杨氏模量(GPa)	泊松系数
			L	116	0.393
T	130	0.378
			45°	104	0.308

表2

 

样品方向	直接弹性模量(GPa)	横向弹性模量(GPa)	泊松系数
				L	116	34.8	0.385
T	130	34.8	0.385
				45°	104	34.8	0.385

表3

 

实例	击球点处硬度(N/mm)	硬度比
			1	2.597×10<sup>4</sup>	1
2	2.793×10<sup>4</sup>	1.08
			3	2.915×10<sup>4</sup>	1.12
4	2.732×10<sup>4</sup>	1.05

例子

下面描述根据本发明的高尔夫球杆杆头的例子。

由具有表4中给出成分的钛合金来制备钛合金板料。所述合金是(α—β)钛合金。所述板料经过单向轧制热加工处理，所述热加工条件为：加热温度830℃，轧制开始温度800℃，轧制结束温度680℃，从而获得了用于具有3mm厚度表面的板料，如在本发明的例子中所述。在对比例中，用于具有3mm厚度表面的板料经过横轧热加工处理而获得，其热加工条件，例如加工温度、轧制开始温度以及轧制结束温度与上述轧制条件相同。

在具有所述成分(表4)的情况下，所述对比例和本发明实例的硬度和回复系数均已确定，上述对比例使用经横轧而制备的传统板料，本发明实例使用经单向轧制而制备、具有各向异性杨氏模量的板料，并且其大杨氏模量的方向在与在表面上水平方向相垂直的方向上。

按照如下步骤，通过应变仪的方法来确定硬度。

分别切割经上述方法制备的所述实例和对比例的钛合金板料，以获得试样(6cm×10cm)，并使其纵向长度(10cm)平行于轧制方向。将应变仪连接到所述试样的中心。将所述试样固定到具有和试样相同尺寸的矩形框架上。以45m/sec的速度连续将高尔夫球击打到试样的中心处，并观察应变仪的输出。

通过美国高尔夫协会(USGA)的第4—1e条规定的方法来确定回复系数。在具有按上述方法制备的钛合金板料的情况下(本发明的例子)，通过将所述表面的水平方向设置为平行于轧制方向来制造本发明实例的高尔夫球杆杆头，通过横轧方法来制备所述对比例的高尔夫球杆杆头。对两种杆头的回复系数(COR)均进行测定。方程(1)中的“e”为回复系数，该方程确定速度比(V_out/V_in)(V_out是击球后的杆头速度，而V_in是击球前的杆头速度)，

V_out/V_in＝(eM-m)/(M-m)     (1)

其中，M是球杆杆头的质量，m是球的平均质量。

测试结果给出在表5中。如表5中所示，与对比例相比，所述例子的硬度提高了14％。所述值几乎对应于FEM分析的结果(表2)，这证明了本发明实例在提高硬度方面是有效的。

本发明所述高尔夫球杆杆头的回复系数是0.82，这符合USGA的标准。相反地，对比例的高尔夫球杆杆头的回复系数是0.84。如所给出的对比，与传统杆头相比，所述实例能够将回复系数降低到0.83(标准值)或者更小，而不增大所述表面厚度。

表4    (质量％)

 

Al	V	Fe	Mo	O
					4.4	3.1	1.9	2.1	0.14

表5

 

	硬度比	回复系数(COR)
			本发明实例	1.14	0.82
对比例	1	0.84

Claims (5)

1.一种高尔夫球杆杆头，制成其击球表面的材料具有各向异性的杨氏模量，表面材料的最大杨氏模量方向垂直于在表面上的水平方向。

2.如权利要求1所述的高尔夫球杆杆头，其击球表面由轧制板料制成，所述轧制板料经基本上沿着一个方向的轧制而得以制备，以使主要轧制方向变为在所述表面上的水平方向。

3.如权利要求1或2所述的高尔夫球杆杆头，其中，所述表面材料是钛合金。

4.如权利要求3所述的高尔夫球杆杆头，其中，所述表面材料是(α—β)钛合金。

5.如权利要求4所述的高尔夫球杆杆头，其中，以重量百分比计算，所述钛合金基本上包含3.5—5.5％的Al、2.5—3.5％的V、1.5—2.5％的Fe、1.5—2.5％Mo、0.25％或更少的O和其余的Ti和不可避免的杂质。

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