TWI483762B

TWI483762B - 鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法

Info

Publication number: TWI483762B
Application number: TW102138519A
Authority: TW
Inventors: Ming Jui Chiang
Original assignee: Fusheng Prec Co Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-05-11
Also published as: CN104550814B; CN104550814A; TW201515680A

Description

鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法

本發明是關於一種高爾夫球桿頭的製造方法，特別是精密鑄造一種鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法。

一般而言，高爾夫球桿可分為木桿、鐵桿及推桿三大類，為減輕高爾夫球桿頭之重量與增加設計的自由度，目前有許多高爾夫球桿頭的材料都選擇以鈦合金為主，而該些鈦合金高爾夫球桿頭之製造方法，則多係於真空環境下熔煉呈固態錠狀的鈦合金鑄材，並以離心鑄造的方式精密成型。

其中，鈦合金鑄材的熔煉方式一般採用真空感應凝殼熔煉(Vacuum Induction Skull Melting,VISM)，而在該熔煉過程中，為使鑄材成分純淨，通常會使用水冷銅坩鍋來作為鈦合金鑄材熔融的載具；惟，水冷銅坩堝會降低金屬的過熱度(Degree of Superheat)，使熔融之液態鈦合金重新在水冷銅坩堝的內表面凝固，並生成一層具有厚度的殼體(即所謂「凝殼」)，以致鈦合金鑄材轉換成鑄物的比例降低，形成鈦合金鑄材之浪費而難以降低鑄造成本，尤其鈦又是較為昂貴的金屬，因此如何提高鈦合金鑄材與鑄物之間的轉換比例，遂成為一項亟需改善的課題。

另一方面，採傳統離心鑄造方式成型鈦合金高爾夫球桿頭時，熔融之液態鈦合金將於冷卻凝固後形成包含澆口杯部、流道部及鑄件部等三大部分的鑄物，而其中只有鑄件部屬於鑄造成品，其餘均為鑄造廢料，因此鑄物之步留率(yield，其定義為：鑄造成品的總重量/鑄造成品和鑄造廢料的總重量x 100%)具有難以提升的問題；以高爾夫球木桿頭為例，以傳統離心鑄造方式成型之鑄物步留率僅約為25%~35%。

基於上述原因，習知鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法實有加以改善的必要。

本發明以下所述之「步留率」定義為：鑄造成品的總重量/鑄造成品和鑄造廢料的總重量x 100%；即，步留率越高，鑄造成品在鑄物中所佔的比例就越高，相對減少鑄造廢料，從而提升鑄材之有效使用率，有助降低鑄造成本。

本發明之目的係提供一種鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可有效提高鈦合金鑄材與鑄物之間的轉換比例，減少鈦合金鑄材之浪費，以降低鑄造成本。

本發明之次一目的係提供一種鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可大幅提高鑄物的步留率，提升鈦合金鑄材之有效使用率，以降低鑄造成本。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，包含：將一殼模定位放置於一旋轉平台，該殼模包含相連通的一坩堝部及一模穴部，且該旋轉平台連接於一可軸向旋轉的轉軸；將一固態的鈦合金鑄材放置於該殼模的坩堝部，並於真空環境下使該鈦合金鑄材在35~45秒內加熱熔融成液態鈦合金；驅動該轉軸以連動該旋轉平台轉動，該轉軸之轉速為500~800rpm，該轉軸之轉動加速度由0~0.5秒為800~1400rpm/sec，使液態鈦合金流入該殼模的模穴部中；減緩該轉軸的轉速至停止，並取下該澆鑄完成的殼模；破壞該殼模以取得一鑄物，該鑄物包含有一鑄件部；將該鑄件部從該鑄物上分離，以得到至少一鈦合金高爾夫球桿頭；其中，該殼模的成型步驟包含：準備一蠟胚，該蠟胚包含一坩堝胚及一鑄物胚，該坩堝胚的環周面設有一第一連接部，該鑄物胚設有一第二連接部，該第一連接部與該第二連接部相對連接成一體；於該蠟胚的表面形成一包覆層；對該蠟胚及包覆層加熱，以將蠟熔出；將該脫蠟完成的包覆層以高溫燒結而形成該殼模，並使該殼模具有一體相連之坩堝部與模穴部。

其中，該鈦合金鑄材可以為單一個金屬錠，且該金屬錠的成分組合與所欲製成之鈦合金高爾夫球桿頭的成分組合一致。

或者，該鈦合金鑄材可以包含數個金屬錠，該數個金屬錠熔融後的液態鈦合金的成分組合與所欲製成之鈦合金高爾夫球桿頭的成分組合一致。

其中，該鈦合金鑄材包含以重量百分比計85%~95%之鈦。

其中，該鈦合金鑄材的重量約為230~290g。

其中，該鑄件部約佔該鑄物總重量的55~65%。

其中，該殼模的溫度約為800~1300℃，以於真空環境下使該鈦合金鑄材在35~45秒內加熱熔融成液態鈦合金。

其中，該蠟胚的坩堝胚呈圓柱狀，該坩堝胚具有相對的一上端面及一下端面，該上端面與下端面之間連接有一環周面，該環周面的徑寬可以從該下端面向該上端面漸擴，使該環周面呈傾斜並與該坩堝胚的軸向形成一拔模角，該拔模角為3~15度。

或者，該蠟胚的坩堝胚呈圓柱狀，該坩堝胚具有相對的一上端面及一下端面，該上端面與下端面之間連接有一環周面，該坩堝胚可以另設有一斜面，該斜面連接於該坩堝胚的下端面與該第一連接部之間，該斜面與該坩堝胚的軸向形成一傾斜角，該傾斜角為3~15度。

其中，該包覆層可以為一多層結構，該包覆層由內至外依序為氧化釔、氧化鋯、莫來石或氧化鋯、莫來石或氧化釔、莫來石。

其中，該殼模的面層材料可以為氧化釔或氧化鋯。

其中，該殼模的背層材料可以為莫來石混合物，其三氧化二鋁的含量為45%~60%，二氧化矽的含量為55%~40%。

據此，本發明的鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可有效提高鈦合金鑄材與鑄物之間的轉換比例，減少鈦合金鑄材之浪費；同時兼可大幅提高鑄物的步留率，提升鈦合金鑄材之有效使用率，從而具有降低鑄造成本之功效。

1‧‧‧真空爐

11‧‧‧容室

12‧‧‧導氣管

13‧‧‧開口

14‧‧‧蓋體

2‧‧‧轉軸

21‧‧‧本體

22‧‧‧止轉部

23‧‧‧抵靠部

3‧‧‧旋轉平台

31‧‧‧軸接部

311‧‧‧穿孔

32‧‧‧定位部

32a‧‧‧坩堝定位部

32b‧‧‧模穴定位部

321‧‧‧穿置孔

322‧‧‧容槽

4‧‧‧殼模

41‧‧‧坩堝部

411‧‧‧容置空間

412‧‧‧第一連接管

42‧‧‧模穴部

421‧‧‧模穴

422‧‧‧第二連接管

5‧‧‧加熱器

6‧‧‧蠟胚

61、61’‧‧‧坩堝胚

61a、61a’‧‧‧上端面

61b、61b’‧‧‧下端面

61c、61c’‧‧‧環周面

611‧‧‧第一連接部

612‧‧‧斜面

62‧‧‧鑄物胚

621‧‧‧第二連接部

622‧‧‧側流道部

623‧‧‧容室

7‧‧‧包覆層

71‧‧‧延伸部

M‧‧‧馬達

B‧‧‧軸承

L‧‧‧升降控制器

P‧‧‧鈦合金鑄材

N‧‧‧液態鈦合金

A‧‧‧軸

θ‧‧‧拔模角

α‧‧‧傾斜角

第1圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的結構示意圖。

第2圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的局部立體分解圖。

第3圖：本發明的實施示意圖(一)。

第4圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的殼模的臘胚結構示意圖。

第5圖：本發明搭配使用之真空離心鑄造裝置的殼模成型流程示意圖。

第6圖：本發明用以成型殼模之臘胚的一坩堝胚的立體示意圖。

第7圖：第6圖之坩堝胚的側剖示意圖。

第8圖：本發明用以成型殼模之臘胚的另一坩堝胚的立體示意圖。

第9圖：第8圖之坩堝胚的側剖示意圖。

第10圖：本發明的實施示意圖(二)。

第11圖：本發明的實施示意圖(三)。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參閱第1圖，其係本發明之鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法所搭配使用之一真空離心鑄造裝置。其中，該真空離心鑄造裝置包含一真空爐1、一轉軸2、一旋轉平台3、一殼模4及一加熱器5；該轉軸2、旋轉平台3、殼模4及加熱器5均設於該真空爐1中，該旋轉平台3連接該轉軸2以與該轉軸2同步旋轉，該殼模4定位放置於該旋轉平台3，該加熱器5則用以對該殼模4加熱。

更詳言之，上述真空爐1的內部具有一容室11，該真空爐1可設有一導氣管12，該導氣管12與該容室11相連通，一真空控制器(圖未繪示)可依據設定值，透過該導氣管12而向該容室11抽氣，以控制該容室11的真空度。另，該真空爐1還可設有一開口13，以供使用者向該容室11置入或取出物品，及設有一蓋體14以啟閉該開口13。

請參閱第1、2圖，上述轉軸2係可軸向轉動地設於該真空爐1的容室11中；在本實施例中，該轉軸2可與一馬達M的輸出端相連，以由該馬達M驅動旋轉。又，該馬達M可以選擇設於該真空爐1的外部，該轉軸2的一端穿伸出該真空爐1以連接該馬達M；該轉軸2可穿置於一軸承B中，該軸承B可連接定位於該真空爐1，以輔助提升該轉軸2的旋轉穩定性，防止該轉軸2轉動時產生偏擺的情況。

此外，該轉軸2位於該容室11中的部分可分為一本體21及一止轉部22，該本體21與止轉部22的徑向截面形狀不同，以於二者交界處形成一抵靠部23，以供該旋轉平台3結合於該止轉部22並抵接於該抵靠部23，使該旋轉平台3能隨該轉軸2產生同步旋轉；在本實施例中，該本體21的徑向截面可以呈圓形態樣，該止轉部22可以設於該轉軸2的端部，該止轉部22的徑向截面則呈非圓形態樣，以供該旋轉平台3套接結合於該止轉部22並抵接於該抵靠部23。

請參閱第2、3圖，上述旋轉平台3係用以供上述殼模4定位放置的載具，該旋轉平台3設有相連接的一軸接部31及一定位部32；在本實施例中，該軸接部31可設有一穿孔311，該穿孔311的徑向截面形態較佳與該轉軸2的止轉部22的徑向截面形態相匹配，以供該旋轉平台3透過該軸接部31的穿孔311套合連接該轉軸2的止轉部22。該旋轉平台3的定位部32可以概分為一坩堝定位部32a及一模穴定位部32b，該坩堝定位部32a位於該軸接部31與該模穴定位部32b之間，且該軸接部31、坩堝定位部32a及模穴定位部32b係依該轉軸2的徑向延伸排列；又，該坩堝定位部32a可設有一穿置孔321，以供該殼模4的一部分穿伸於其中，該模穴定位部32b則可設有一容槽322，以容置該殼模4的另外一部分。

請參閱第2、3圖，上述殼模4具有相連通的一坩堝部41及一模穴部42，該殼模4的坩堝部41可定位放置於該旋轉平台3的坩堝定位部32a，該殼模4的模穴部42則可定位放置於該旋轉平台3的模穴定位部32b，使該殼模4的坩堝部41較模穴部42更鄰近於該旋轉平台3的軸接部31。

其中，該坩堝部41可概呈杯狀而於內部形成一容置空間411，該容置空間411可用以容置欲加熱熔融的鈦合金鑄材，該坩堝部41的環周面另設有一第一連接管412，該第一連接管412連通該容置空間411。該模穴部42是用以成型高爾夫球桿頭的部位，該模穴部42的外型不特別限制，該模穴部42的內部具有至少一模穴421，該模穴421的形態與所欲鑄造成型的高爾夫球桿頭相匹配(本實施例之圖式係以鑄造木桿頭為例，但並不以此為限)；該模穴部42另設有一第二連接管422，該第二連接管422連通該模穴421，且該坩堝部41與模穴部42由該第一連接管412及第二連接管422相對接，使該容置空間411得以與該模穴421相連通。

請參閱第4、5圖，在本實施例中，該殼模4的坩堝部41與模穴部42可以呈一體相連的形態，該殼模4的成型步驟為：準備一蠟胚6，該蠟胚6包含一坩堝胚61及一鑄物胚62，該坩堝胚61的環周面設有一第一連接部611，該鑄物胚62則設有一第二連接部621，該坩堝胚61與鑄物胚62由該第一連接部611及第二連接部621相對連接成一體；此外，該鑄物胚62還可以視需求增設一側流道部622，使對應成型之殼模4可具有一側流道，以確保該模穴部42的各處可確實充滿熔融之鑄材，從而提升鑄物之成型良率；另一方面，當欲成型內部呈中空之高爾夫球桿頭時，該鑄物胚62的內部則需對應設為中空形態以形成一容室623，且該鑄物胚62的內壁可以呈等厚或不等厚之形態，本發明並不加以限制。

續對該蠟胚6進行沾漿、淋砂或黏砂等流程，於該蠟胚6的表面形成一包覆層7；其中，若該鑄物胚62的內部具有上述之容室623，則該包覆層7將對應形成一延伸部71，該延伸部71係填滿該鑄物胚62的容室623。續對該蠟胚6及包覆層7加熱，以將蠟熔出；舉例而言，可將該蠟胚6與包覆層7一併置入一蒸氣釜內加熱，使該蠟胚6熔化以便從該包覆層7中排出。續將該脫蠟完成的包覆層7以高溫燒結(燒成條件可例如為1050℃,120分鐘)而形成所述殼模4，並使該殼模4具有一體相連之坩堝部41與模穴部42。其中，該殼模4的面層材料可選用氧化釔或氧化鋯等耐火材料，該殼模4的背層材料則可選用莫來石混合物(3Al₂ O₃ -2SiO₂ )作為耐火材料；又，當背層材料選用莫來石混合物時，其三氧化二鋁的含量較佳為45%~60%，二氧化矽的含量較佳為55%~40%；另，該包覆層7可以為一多層結構，該包覆層7由內至外依序為氧化釔、氧化鋯、莫來石或氧化鋯、莫來石或氧化釔、莫來石。

又，為於使用時提升液態鈦合金從該殼模4的坩堝部41流入模穴部42的順暢度，該殼模4的坩堝部41較佳具有從底部向上漸擴內徑的傾斜狀環周壁，故該蠟胚6的坩堝胚61需設有對應的外型。舉例而言，請參閱第6、7圖，在本實施例中，該蠟胚6的坩堝胚61可概呈圓柱狀，該坩堝胚61具有相對的一上端面61a及一下端面61b，該上端面61a與下端面61b之間連接有一環周面61c，該環周面61c的徑寬從該下端面61b向該上端面61a漸擴，使該坩堝胚61的環周面61c呈傾斜並與該坩堝胚61的軸A向形成一拔模角θ，該拔模角θ約可為3~15度。或者，請參閱第8、9圖，在另一實施例中，該蠟胚6’的坩堝胚61’可概呈圓柱狀，該坩堝胚61’設有一斜面612，該斜面612連接於該坩堝胚61’的下端面61b’與該第一連接部611之間，該斜面612與該坩堝胚61’的軸A向形成一傾斜角α，該傾斜角α約可為3~15度。

請再參閱第1、3圖，上述加熱器5設於該真空爐1的容室11中，用以對該殼模4的坩堝部41加熱。在本實施例中，該加熱器5可選擇為一高週波線圈，並由一升降控制器L帶動該加熱器5在該容室11中移動；須加熱該殼模4的坩堝部41時，該加熱器5可被帶動上升至一預設位置，以環繞於該坩堝部41的外周，並啟動該加熱器5，使該坩堝部41被加熱升溫；加熱完畢後，該加熱器5則可以被該升降控制器L帶動下降，使該加熱器5不再環繞於該坩堝部41的外周，以免干擾該殼模4隨該旋轉平台3及該轉軸2之旋轉動作。

據由前述結構，本發明可實施一種鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，該製造方法大致上包含以下步驟：請參閱第1至3圖，將一殼模4定位放置於一旋轉平台3，且該旋轉平台3連接於一可軸向旋轉的轉軸2。更詳言之，該旋轉平台3可設於一真空爐1中，以便控制該殼模4所處空間的真空度；另，該殼模4包含相連通的一坩堝部41及一模穴部42，該殼模4可由該坩堝部41穿伸於該旋轉平台3的穿置孔321中，並由該坩堝部41的第一連接管412抵接於該旋轉平台3，該殼模4的模穴部42則可置放於該旋轉平台3的容槽322，使該殼模4能穩固定位於該旋轉平台3上的預設位置。以及，將一固態的鈦合金鑄材P放置於該殼模4的坩堝部41中；該鈦合金鑄材P可以為單一個金屬錠，且該金屬錠的成分組合與所欲製成之鈦合金高爾夫球桿頭的成分組合一致；或者，該鈦合金鑄材P可以包含數個金屬錠，該數個金屬錠熔融後的液態鈦合金的成分組合與所欲製成之鈦合金高爾夫球桿頭的成分組合一致。其中，該鈦合金鑄材P的重量約為230~290g，該鈦合金鑄材P包含以重量百分比計85%~95%之鈦，表一中列舉二個可實施本發明方法之鈦合金鑄材P成分，但並不以此為限。

請參閱第1、10圖，於真空環境下使該鈦合金鑄材P被加熱熔融成液態鈦合金N。更詳言之，在該殼模4安置定位後，該加熱器5可被帶動上升至一預設位置，以環繞於該坩堝部41的外周；同時，該真空爐1的導氣管12可向該容室11抽氣，以控制該容室11的真空度。待真空度達到預設值(例如真空度小於0.3mbar)後，可啟動該加熱器5，使該殼模4的坩堝部41被加熱升溫至約800~1300℃，令該坩堝部41中的鈦合金鑄材P能在35~45秒內熔融成液態鈦合金N；其中，該加熱器5作動時，其電源供應器的頻率可例如為4kHz~30kHz，功率為5kW~100kW。在鈦合金鑄材P都熔融成液態鈦合金N後，該加熱器5則停止作動，並快速地被帶動下降，使該加熱器5不再環繞於該坩堝部41的外周。

請參閱第1、11圖，驅動該轉軸2以連動該旋轉平台3轉動，使熔融的液態鈦合金N流入該殼模4的模穴部42中。更詳言之，該轉軸2可由該馬達M驅動以產生軸向旋轉，其轉速約為500~800rpm，該轉速可依據鑄件的厚度(即該模穴421的空間大小)進行調整，且該轉軸2之轉動加速度由0~0.5秒較佳為800~1400rpm/sec，據以確保該旋轉平台3受連動而以該轉軸2為軸心轉動時，能在旋轉過程中，藉離心力作用使液態鈦合金N可沿著該殼模4的坩堝部41的內側壁面，通過該殼模4的第一連接管412及第二連接管422，流入該模穴部42中以進行澆鑄的動作，進而填充該模穴421。澆鑄完成後，可減緩該轉軸2的轉速至停止，並將該殼模4從該旋轉平台3上取下，於熔融之液態鈦合金N冷卻凝固後，破壞該殼模4以取得一鑄物，該鑄物包含有一鑄件部，且該鑄件部約佔該鑄物總重量的55~65%；最後再將該鑄件部從該鑄物上分離(例如：以刀具切斷，或是利用震動斷裂使之分離)，以得到屬於鑄造成品之至少一鈦合金高爾夫球桿頭。

是以，本發明之鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可在熔融的液態鈦合金N再度凝固前，利用離心力將液態鈦合金N確實地澆灌填充入殼模4的模穴421，以避免發生部分液態鈦合金N在坩堝部41中凝固形成凝殼的狀況，故能有效提高鑄材(即該鈦合金鑄材P)轉換成鑄物的比例，使大部分的鑄材都能被有效地使用，相對減少不必要的鑄材損失，可避免浪費鑄材以降低鑄造成本。此外，相較於習知以重力澆鑄製成之鑄物，由本發明以真空離心鑄造製成之鑄物不僅少了澆口杯部，還可大量地縮減流道部的體積，使鑄造廢料的比例大幅下降，相對提升鑄造成品(即該鑄件部)相對於鑄造成品和鑄造廢料的總重量(即該鑄物的總重量)的比例，令該鑄物的步留率得以提升至55~65%，可減少鑄造廢料及提升鑄材之有效使用率，從而降低鑄造成本。

此外，在其他實施例中，本發明鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法還可以搭配使用具有數個模穴421的殼模4，一次性地鑄造出數個鈦合金高爾夫球桿頭，以提升製造效率。

綜上所述，本發明鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可有效提高鈦合金鑄材與鑄物之間的轉換比例，減少鈦合金鑄材之浪費，以降低鑄造成本。

本發明鈦合金高爾夫球桿頭的製造方法，可大幅提高鑄物的步留率，提升鈦合金鑄材之有效使用率，以降低鑄造成本。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。