Нарезы ствола, как известно, служат для того, чтобы, получив от них вращательное движение (угловую скорость), пуля приобрела гироскопическую устойчивость в полете. Устойчивость выражается через расчет фактора гироскопической стабильности (ФГС) или статической стабильности.
Нам же нужно понять, что такое твист/шаг нарезов, и чем он так важен. Если кратко, максимально понятным языком, то: ТВИСТ СТВОЛА (или шаг нарезов ствола) это расстояние, на котором пуля делает один полный оборот вокруг своей оси. Шаг нарезов, как правило, измеряется в дюймах и имеет следующий вид записи в техническом описании ствола - 1:14. Как пример - это означает, что пуля делает один полный оборот вокруг своей оси на расстоянии 14 дюймов или 355 мм (Помним, что 1 дюйм равен 25,4мм).
Что такое твист ствола и как его рассчитать. Нарезы, дорнирование, металлы для производства стволов
При этом следует понимать, что твист необязательно должен быть меньше или равен длине ствола. Например, во многих пистолетах твист ствола равен 20 дюймов (508 мм). При этом длина ствола пистолета значительно меньше. Это означает, что пуля заканчивает свой оборот вокруг оси уже за пределами среза ствола.
Опять же опуская математические модели, хотим привести основной вывод: угловая скорость пули снижается значительно медленнее, чем линейная. Это означает, что пуля снижает свою скорость полета быстрее, чем скорость вращения вокруг оси. Именно поэтому по мере удаления пули от ствола гироскопическая стабильность пули растет, но, с некоторого момента, резко падает. Поэтому кучность при увеличении дистанции может меняться нелинейно. То есть, определенная пуля может показывать хорошую кучность на коротких дистанциях и плохую на длинных. И наоборот.
Для определения оптимального соответствия размеров пули твисту твола (шагу нарезов) существует формула Гринхила. Она была выведена в 1879 году сэром Гринхилом (Alfred George Greenhill, жил 1847-1927). Впервые она была опубликована в Британском учебнике стрелкового оружия (British Textbook of Small Arms) в 1929 году. Позволяет для заданного калибра и заданной пули рассчитать оптимальный шаг нарезов.
T = шаг нарезов в дюймах K = константа Гринхила = 150 (для нач. скорости пули от 457 до 853 м/сек) и 180 - для нач. скорости пули свыше 853 м/сек и 125 - для пистолетов. Данные значения константы справедливы для свинцовых пуль с оболочкой из меди или ее сплава. Константа жестко привязана к плотности материала пули и если бы мы задумали стрелять из алюминиевых пуль - константа была бы другая. D = диаметр пули в дюймах L = длина пули в дюймах
шаг нарезов при заданной длине пули: T = (K * D2) / L или при уже заданном шаге нарезов длина пули: L = (K * D2) / T
Например: Для пули калибра .308, длиной 1,35 дюйма (вес 200 гран или 13 грамм) получаем: (150 * 0,3082) / 1,35 = 10,54.
Получаем приблизительно шаг нарезов 1:10,5 (10,54 дюймов на совершение полного оборота пули в стволе), что близко к используемому в винтовках калибра 30-06 шагу нарезов 1:10. Если диаметр пули и ее длину брать в метрической системе, т.е в миллиметрах, константа НЕ МЕНЯЕТСЯ. Таким образом: (150 * 7,822) / 34,29 = 267,51 мм.
Выводы
Вывод 1: Главную роль в стабилизации пули в играет ее длина, а не вес. Вывод 2: Более длинные пули для стабилизации требуют более быстрых нарезов (меньшего шага нарезов) Вывод 3: Шаг нарезов в изготавливаемой винтовке выбирается по самой длинной (тяжелой) пуле, которая будет применяться в данном калибре.
Вывод 4: Можно стрелять из ствола более легкими пулями, чем теми, на которые он рассчитан, без ущерба траекторной устойчивости и кучности. Если стрелять более тяжелыми, чем расчетные - пуля будет недостабилизирована. Говоря проще, пуля будет "кувыркаться"...
Формула компании Sierra Bullets: T = 0,06 * V * D2 / L
где
V - начальная скорость пули, фут/сек T = шаг нарезов в дюймах D = диаметр пули в дюймах L = длина пули в дюймах
Например: Для пули калибра .308, длиной 1,35 дюйма, начальная скорость 800 м/сек получаем: 0,06 * 2624 * 0,3082 / 1,35 = 11, 063.
Угловую скорость пули грубо можно оценить по формуле: w = V/(T * 0,0254),
где
w - угловая скорость пули, об/сек; V - начальная скорость пули, м/сек; T - шаг нарезов в дюймах
Например: Начальная скорость 935 м/сек, шаг нарезов - 1:12.
Получаем: 935/(12 * 0,0254) = 3 067,5 об/сек.
Существует эмпирическое правило для грубого определения стабильности пули - по ее угловой скорости. Пуля должна вращаться с угловой скоростью не менее 170 000 об/мин или 2833 об/сек. Цифра эта приблизительна и, на самом деле, у конкретной пули угловая скорость для оптимальной ее (пули) стабилизации может быть и 140 000 об/мин и 200 000 об/мин, в зависимости от ее веса и формы.
Есть несколько способов получения профиля нарезов в канале ствола. Все они имеют свои достоинства и недостатки. При изготовлении любого ствола есть несколько стандартных операций, сверление, оконтуривание, развертка канала, подготовка канала (полировка, лаппинг, хонингование), далее идет профилирование (это уже специализированная операция определяющая метод получения нарезов и свойства ствола) и финишные операции (как правило определяются технологией получения нарезов и традициями сложившимися у конкретного производителя) тут могут быть различные финишные полировки, термическая и термохимическая обработка и т.д.
Попробуем рассмотреть основные:
1. Ротационная ковка. Достоинство: очень быстрый способ (около 3 минут на изготовление ствола), позволяющий получать стволы с внешней и внутренней геометрией (иногда даже куют вместе с патронником), с хорошей внутренней поверхностью и достаточной для большинства задач точностью. Суть метода: в канал ствола вводится оправка (есть разные названия, в России говорят "дорн", хотя "дорном" называют и другой инструмент о котором пойдет речь ниже) с обратным профилем нарезов, удары молотков станка сжимают металл, и внутреняя поверхность отпечатывается повторяя форму "оправки-дорна".
Способ характерен еще тем, что металл в процессе ковки уплотняется, что теоретически, а по утверждению некоторых уважаемых производителей и практически положительно влияет на ресурс. Например по заявлению FN herstal их стволы полученные ковкой дают ресурс в 20 тыс. выстрелов в М16 (кал.223Рем) против 6-8 тыс. выстрелов ресурса стволов фирмы Colt (полученных дорнированием).
К недостаткам можно отнести очень дорогое оборудование, станок GFM австрийского производства стоит несколько миллионов евро, высокие требования к хонингованию (и высокой стоимости хонинговальных станков) и общей подготовке ствола.
С точки зрения качества есть проблемы внутренних напряжений (так как идет ударное уплотнение материала), что негативно сказывается на стрельбе. Точность канала ствола при данном методе получается с допусками в сотые доли мм, что недостаточно для прецизионной стрельбы.
для снятия напряжений и упрочнения поверхностного слоя некоторые фирмы (например Блейзер) прибегают к нитроцементации. Среди фирм производящих стволы методом ротационной ковки можно выделить уже упомянутые FN herstal и входящие в группу FN herstal Браунинг и Винчестер, Блейзер, Зауэр и Маузер, ЧЗ, Сако, Ремингтон, Штеер Манлихер.
Протягивание (или проталкивание) через канал ствола твердосплавной головки button- дорн. Головка имеет определенный профиль соответствующий калибру, количеству и шагу нарезов.
Это тоже, как и ротационная ковка, стрессовый метод профилирования канала ствола, только нарезы формируются не из большего диаметра в меньший как при ковке, а из меньшего в больший. Button двигаясь по стволу, и одновременно вращаясь, соответственно шагу нарезов, формирует геометрию канала ствола. Сама операция протяжки дорна очень быстрая, минута и все, однако метод требует очень качественной подготовки и прежде всего по финишному размеру канала, его чистоте, а так же по смазкам. Трение очень значительное, дорн выходит из ствола с температурой в двести градусов, и для преодоления таких сил к смазкам масса требований. Раньше ствол «меднили», тонкий слой меди нанесенный на канал и являлся смазкой, сейчас применяют различные промышленные смазки и их комбинации, рецептура смазок как правило, ноу хау каждой компании кто получает стволы таким способом.
После протяжки дорна отверстие получается больше калибра, и для получения точного размера и снятия напряжений ствол идет в специальную печь где медленно нагревается и остывает в течении почти 50 часов. После термической обработки следует финишная полировка и ствол готов к нарезанию патронника и установке в винтовку.
Метод позволяет получать стволы очень высокого качества, пару десятков лет назад именно дорнированные стволы доминировали во всех крупных соревнованиях по бенчресту, с ними были установлены десятки рекордов. Недостатком метода можно назвать сложность подбора термических режимов для попадания в «размер», а так же большое количество «ручных» операций. Метод применяют многие фирмы, из изместных Лотар Вальтер, Шилен, Харт. В заводских винтовках дорнированные стволы стоят у Везерби. Ролики о производстве винтовок Бергара Баррелс, ствольное производство организовано при участие Эда Шилена. На 17 секунде видно, как дорн формирует нарезы.
Получение профиля нарезов резанием, т.е. с изъятием металла из канала ствола наиболее древний способ, самые первые нарезные стволы получали именно так, в 20 веке в период гонки за производительностью этот метод в массовом производстве был заменен куда более высоко производительными способами таким как ротационная ковка и дорнирование.
Однако сам метод получения стволов резанием наиболее точный, позволяющий получать внутреннюю геометрию канала практически идеальной по размерам полей и нарезов.
Точность стрельбы во многом и определяется точностью геометрии канала ствола, правильностью формы нарезов, и точности глубины. В процессе обработки данным методом через канал двигается инструментальная головка, в которой установлен резец, резец последовательно обрабатывает нарезы, и возвращаясь к первому нарезу механика станка чуть выдвигает резец и цикл повторяется. Основным недостатком метода является его скорость, это самый медленный способ обработки ствола, при средней глубине нареза в 0.1 мм нужно от 60 до 100 проходов инструмента для получения нареза необходимой глубины. Обычно ствол обрабатывается от 2 до 3 часов, крупный калибр может находится на станке до 8 часов и более.
До недавнего времени станки для нарезания канала использовались Pratt Whithney выпуска до второй мировой войны с ручными индексами и частичной автоматизацией, с 2005 года появились станки с ЧПУ позволившие улучшить точность обработки канала ствола и получить стволы непревзойденной точности. На сегодняшний день стволы полученные данным способом являются безусловными лидерами в соревнованиях по высокоточной стрельбе.
Ствол получаемый данным способом не нуждается в термической обработке и сразу готов к применению. Из известных фирм устанавливающих резанные стволы на свои винтовки можно упомянуть Accuracy International, Barrett, McMillan. Самые известные производители стволов методом резания: Шайлен, Кригер, Бартлейн, Бордер.
1. Протяжка (Broashing). Длинный режущий инструмент с полным профилем нарезов протягивают на специальном прессе через канал получая одновременно все нарезы. Обычно применяют для получения стволов для пистолетов, для длинноствольного оружия применяют только для крупного калибра, но тоже ограничено, я знаю только одну фирму производящую стволы .50 калибра для ружей на черном порохе.
Фирма Беретта получает для своих пистолетов стволы именно протяжкой. Метод неприменим для большинства винтовочных калибров, так как получить необходимую жесткость инструмента при малых диаметрах невозможно.
2. Электрохимическое травление. Метод весьма распространен в России, таким способом получают стволы даже для малокалиберной артиллерии. Название метода по сути описывает и его технологию, через канал протягивают электрод с профилем нарезов и подают электрический ток, в месте "контакта" металл ствола вытравливается и получаются нарезы. Способ довольно точный, и быстрый. Применим не на всех сталях.
3. В Турции применяют способ сходный с ротационной ковкой, только вместо ударов молотков, применяют валки, которые сдавливают металл на оправку.
4. Я знаю примеры когда стволы получали электроэрозионным способом и даже литьем. Данные методы развития пока не получили.
Стволы в основном делают из стали, это либо нержавеющая сталь, либо "черная" хром молибденовая.
разные стали по разному обрабатываются разными методами. Например нержавеющие стали хуже куются, но хорошо обрабатываются дорнированием или резанием. Нержавейку практически невозможно обработать электрохимическим травлением и т.д.
Некоторые нержавеющие стали очень плохо обрабатываются резанием, но прекрасно дорнируются. Поэтому выбор стали для конкретной технологии это очень важный и принципиальный момент.
К ствольной стали предъявляются высокие требования, это прежде всего плотность структуры, отсутствие неметаллических включений, полостей и микротрещин, напряжений. В США и Европе ствольные стали поставляются с заводов изготовителей с паспортами ультразвукового контроля и со снятыми в заводских условиях напряжениями. В США поставщики прилагают сертификат подтверждающий возможность использования данной стали в оружейной промышленности.
Твердость стали для разных способов обработки тоже различная, для дорнирования это 26-28 HRC, для резания 30-34HRC, для пистолетов и автоматов до 40-41.
Распространенные марки: нержавеющая сталь 416R (особенность данной стали повышенное содержание серы и отсутствие никеля), хроммолибденовая 4140, 32CrNiMo6 и др.
Покрытия стволов и упрочнение. В СССР и РФ традиционно наносят хром, упрочняя поверхность и снижая трение, хромирование ухудшает точность геометрии канала ствола, но значительно повышает прочность. Применяются так же различные способы термохимического упрочнения, уже упомянутая нитроцементация, а так же карбонитрация и т.д. Позволяющие получить очень твердый поверхностный слой как снаружи так и внутри ствола.
У нас два способа получения нарезов, в основном резание, и вторично дорнирование. Резание у нас происходит на специализированных станках с ЧПУ, наличие ЧПУ позволяет очень точно контролировать параметры работы инструмента, а именно углы поворота, точность спирального угла шага нарезов, точность подъема инструмента при обработке. Все это делает возможным получение внутренней геометрии ствола очень высокой точности, с допусками в 1 микрон и в тысячные градуса по углам обработки.
Точность изготовления стволов напрямую транслируется в точность стрельбы. Мы выбирали данный способ как основной по причине того, что более точного способа получения ствола не существует.
Цикл производства выглядит следующим образом: отрезание прутка нужной длины с припуском на обработку, торцевание на токарном станке, глубокое сверление, оконтуривание на токарном станке с ЧПУ , развертка канала ствола, полировка канала, нарезание нарезов, финишная полировка. На этом бланк считается готовым, далее идут специализированные операции по разворачиванию патронника, нарезанию соединительных резьб, дол, финишной полировки с внешней стороны и различные декоративные виды обработки (покраска, матирование, полировка) в соответствии с заказом.
В случае дорнирования цикл операций немного другой, и применяется другой инструмент даже на сходных операциях, например развертка канала ствола для дорнирования производится разверткой большего размера чем для резания, по другому проводится финишная полировка-лаппинг. Существенным отличием способов пр-ва является наличие в цепочке дорнирования продолжительного цикла термической обработки.
В качестве дополнения: - Производство стволов по технологии холодного радиального обжатия; - Производство стволов по технологии горячего радиального обжатия; - Производство скрепленных стволов;
Материалами для производства стволов являются: - углеродистые стали 50РА (перлитный класс) ОСТ 3-98-88 (стволы до 9мм с низкой скорострельностью до 600 выстрелов); - хромоникельмолибденовованадиевые стали 30ХН2МФА ОСТ 3-98-88 (стволы до 23мм, скорострельность до 1500 выстрелов); хромоникельмолибденовованадиевые стали ОХН3МФА ГОСТ В 5192-88 (стволы 30мм и более, скорострельность свыше 1500 выстрелов).
