Обычно в обзорах на данную тему авторы пускаются в глубокие исторические экскурсы, подробно пересказывая, как делали нарезные стволы в XVI или XVII веке. Я остановлюсь только на современных методах и технологиях по изготовлению стволов с нарезами внутри.
Нарезные стволы применяются для стрельбы боеприпасами соответствующего калибра, пули патронов при этом могут иметь различные конструктивные отличия, что, в свою очередь, определяет требования к тому или иному оружию и способу производства. Также существенными являются и конечные задачи, которые ставит перед собой производитель оружия, так как требования к спортивной высокоточной винтовке и облегчённому охотничьему карабину будут предъявляться разные. Всё это и определяет в конечном счёте выбор способа производства ствола и технологические особенности.
Далее рассмотрим основные современные способы производства нарезных стволов. Следует отметить, что все способы имеют как общие технологические операции, так и специализированные, которые определяются именно способом получения нарезов (профилирование), а также различные дополнительные технологические операции. Стволы обычно производят из прутка стали, хотя может применяться и иной вид заготовки, например поковка. Но для простоты изложения рассмотрим именно изготовление из прутка. Марок стали, пригодных для изготовления ствола, довольно много, как отечественных, так и зарубежных. Нередко небольшие оружейные фирмы экспериментируют с материалами, используя для производства стволов совсем уж экзотические и сложные в обработке стали и сплавы. Традиционно большинство стволов за рубежом изготавливают из стали 4140 и 416R и близких к ним марок. В России это стали 50А, 50РА, 30ХН2МФА и другие.
Итак, сначала от прутка отрезают заготовку необходимой длины. Для этих целей обычно используется ленточная пила. В зависимости от масштаба производства это может быть и простая пила с ручным управлением, и огромный станок с ЧПУ с автоматизированной подачей и раскроем сразу пачки заготовок. Далее на токарном станке выравниваются торцы и делается небольшая фаска. Необходимо отметить, что заготовка в большинстве случаев берётся избыточной длины, для того чтобы после всех операций отрезать со стороны дульного среза от 20 до 50 мм, так как в процессе обработки тут образуется небольшой раструб.
Следом идёт глубокое сверление – технологически сложная операция, для которой необходим специальный станок и специальные инструменты. «Глубоким» считается сверление, где соотношение диаметра сверления к глубине составляет 1 к 10, для оружейной промышленности это соотношение близко к 1 к 100. Традиционно используется так называемое однолезвийное пушечное сверло, в твердосплавной головной части которого находятся отверстия для подачи масла: при сверлении масло под высоким давлением вымывает стружку в V-образную канавку тела сверла. В среднем, на современном оборудовании, для того чтобы просверлить насквозь заготовки длиной 600 мм из конструкционной стали, требуется около 15 мин. Как правило, используются многошпиндельные станки, способные просверлить за один раз 4, 6, 8 и даже 12 заготовок. В небольших частных компаниях я видел и переделанные токарные станки, приспособленные для данной операции, однако время сверления там возрастает примерно в два и более раза.
Существует теоретическая дискуссия относительно того, как нужно правильно сверлить: вращать заготовку и подавать сверло без вращения; вращать сверло и осуществлять контрвращение заготовки; либо не вращать заготовку совсем; либо всё-таки вращать, но с малыми скоростями. Как точить сверло: делать «спиральный» угол, или точить гранями, или использовать так называемую алмазную заточку. Какое масло лучше, в каком диапазоне температур масла допустимо сверление, какая должна быть чистота очистки масла и так далее. Каждый производитель будет иметь собственное мнение, которое он подкрепляет собственным опытом и доводами. Лично я получал отличные результаты при сверлении с контрвращением заготовки, при этом сверло вращается значительно быстрее заготовки; и предпочитаю «алмазную» заточку сверла.
Обычно после глубокого сверления производят токарную обработку – задают внешний контур будущего ствола, беря за базу обработки просверлённое отверстие. Дело в том, что при глубоком сверлении есть так называемый межцентровой увод: выходное отверстие имеет отклонение от геометрического центра заготовки (стандартные допуски примерно 0,3 мм на 1 м), отверстие при этом совершенно прямое и ровное. Поэтому при оконтуривании ствол устанавливают в центрах и, поддерживая его люнетами, производят внешнюю токарную обработку.
Тут необходимо сделать небольшое примечание. Иногда некоторые производители делают на данном этапе термическую обработку: или для закалки ствола (производить закалку без внутреннего отверстия – задача малоперспективная, так как конечной цели – повышения твёрдости канала ствола – не добиться), или для снятия напряжений, возникающих после глубокого сверления. Иногда термическую обработку проводят и на заготовке из прутка, но, как я уже сказал выше, именно наличие сквозного отверстия позволяет правильно «добраться» до всех слоёв металла. Термическая обработка не всегда производится с повышением температуры: нередко применяют криогенные способы обработки, что положительно сказывается как на снятии напряжений, так и на изменении структуры металла. Особенно это рекомендовано для нержавеющих сталей. Следует отметить серьёзные риски термических поводок при закалке заготовки ствола и сложности в дальнейшей обработке: получить нарезы в закалённой заготовке можно не любым способом. Однако правильно закалённый ствол существенно повышает ресурс.
Далее следует развёртка канала ствола, так как после сверления внутри остаются следы инструмента. Развёртка выравнивает внутреннюю геометрию, убирает риски, делает отверстие идеально круглым и соответствующим калибру ствола по размеру канала.
После следуют различные доводочные операции. В зависимости от применяемой конкретным производителем технологии это могут быть хонинговальные операции с помощью вертикальных или горизонтальных хонинговальных станков, снимающих около 0,01 мм, при этом практически полностью удаляющих следы как глубокого сверления, так и развёртки, и делающих внутренний канал идеально гладким и ровным. Может применяться так называемый лаппинг, или свинцевание, когда на свинцовую отливку наносят абразивную пасту, вращая или заготовку, или ствол, и производят внутреннюю полировку. Могут быть применены (или самостоятельно, или в комбинации с вышеописанными методами) мягкие хоны – специальные ерши, покрытые абразивными составами, которые протягивают через ствол с вращением, улучшая показатели шероховатости.
Далее следует самое интересное. Именно тут начинается разветвление технологии – выбор метода профилирования канала ствола. Разберём их по порядку, от простого к сложному.
Дорнирование. Протягивание или проталкивание специальной головки (дорна) с вырезанными канавками через канал ствола. Размер дорна всегда чуть больше диаметра канала ствола, при его продвижении возникают значительные пластические деформации, металл выдавливается и, заполняя форму дорна, формирует геометрию канала ствола уже с нарезами. Вращение дорна в соответствии с шагом нарезов и углом канавок на дорне задаётся или системой ЧПУ, или копиром, в зависимости от конфигурации станка. Метод очень быстрый: в среднем для прохождения дорна через канал заготовки ствола карабина требуется менее минуты. Полученное в результате отверстие будет больше калибра, под который изготавливается ствол, и необходимо провести длительную термическую обработку, отжиг, чтобы вышли напряжения и металл «сжался» до размеров калибра. Следует отметить, что в результате отжига твёрдость ствола снижается. Обычно дорнированные стволы имеют внутреннюю твёрдость 24–28 HRC, что несколько ниже, чем при получении нарезов другими способами. После термической обработки ствол доводят лаппингом: отливка сплава свинца и олова заливается в ствол, и с помощью специального шомпола с абразивной пастой производятся возвратно-поступательные движения, при этом в рукоятку шомпола вставлены подшипники, чтобы отливка без усилий вращалась в стволе по нарезам. Довольно утомительная операция при ручном труде, правда, у некоторых производителей она автоматизирована.
Стволы при этом могут получаться очень достойной точности. Среди известных производителей, использующих данный способ, можно упомянуть Lilja Precision Rifle Barrels (США), Shilen barrels (США), Hart barrels (США), Douglas Barrels (США), Bergara (Испания), Border Barrels Ltd. (Великобритания). Стволы Lilja являются одними из лучших в стрельбе из малокалиберной винтовки, а Shilen долгое время был эталоном в бенчресте. Стволы Border ставил на свои винтовки основатель Accuracy International Малкольм Купер. Даже армейские винтовки М4 и М16 имеют дорнированные стволы.
Следующий метод – это ротационная ковка. Для данного способа производства требуется весьма дорогостоящее оборудование, станок ротационной ковки, а также специальное оборудование для изготовления изнашиваемых инструментов, оправок (дорнов) и молотков. Есть небольшая путаница в терминах: головка для дорнирования и оправка для ротационной ковки (иногда говорят «редуцирование») в русском языке имеют одинаковое название, дорн, хотя это совершенно разные инструменты.
Оправка, дорн, помещается внутрь канала ствола, молотки станка с очень высокой частотой (порядка 1000–1200 ударов в минуту) обстукивают заготовку снаружи, заготовка сжимается, и внутренний канал формируется в точности по форме дорна. Сама оправка короткая (примерно 100–150 мм), в процессе она двигается по стволу и проворачивается в соответствии с шагом нарезов. Следует отметить интересные особенности данной технологии: изначально заготовка короче и толще ствола, который должен получиться в итоге, в процессе ковки формируется не только внутренний канал, но и внешний контур. В некоторых случаях может отковываться и патронник, а ствол удлиняется в процессе ковки на 30–40%. Иногда производители за счёт рисунка ударной части молотков наносят на поверхность ствола геометрический рисунок. Метод стрессовый, однако не все производители производят термическую обработку после ковки. В процессе ковки уплотняется металл вокруг дорна, что весьма положительно сказывается на ресурсе ствола. Данный метод является высокопроизводительным и обычно используется компаниями с объёмом выпуска более 50 тыс. стволов в год. Среди наиболее известных производителей, использующих данный метод, российские ТОЗ, «ИжМаш» и «Молот», Blaser (Германия), Steyr Mannlicher (Австрия), Sako (Финляндия), Remington (США), Sabatti (Италия), CZ (Чехия), Browning (Бельгия).
Следующий значимый метод производства стволов – это электрохимическое травление. Для подобной обработки используют специальные станки. Заготовку устанавливают в станок, и через ствол, в среде электролита, протягивают с вращением катод. Под действием тока происходит окислительно-восстановительная реакция, где процесс окисления идёт по поверхности ствола, а восстановление – по медному катоду. В результате формируется внутренний канал ствола с нарезами. Время обработки ствола – 10–15 минут. Метод имеет ряд интересных особенностей. Так как это единственный бесконтактный метод обработки, заготовка ствола может быть из металла любой твёрдости и вязкости. Следует отметить, что все остальные методы получения нарезов имеют ограничения по материалу. Изменяя параметры тока в процессе обработки, можно получить заданную конусность, что для определённых видов пуль и калибров будет иметь важное значение для кучности стрельбы. Внутренняя поверхность канала ствола при этом методе обработки на глубину в несколько микрон получается «рыхлой», и если предполагается покрытие хромом, это существенно улучшает сцепление хрома и стали ствола. Если ствол будет использоваться без покрытия, то ствол доводят лаппингом (свинцеванием), как было описано выше. Данный способ производства использует в России ЦКИБ СОО (Тула), в Европе – Ritter & Stark (Австрия). Следует также отметить, что подобным образом производят и стволы для автоматических пушек.
Следующий метод – это шпаллерное строгание, или однопроходное резание, наиболее точный метод получения нарезов. Существенным недостатком является длительное время обработки, Ствол калибра 7,62 с шестью нарезами может находиться в обработке более 2,5 часов. Однако данным методом ствол может быть изготовлен с микронными допусками. Через ствол двигается инструментальная головка, внутри которой установлен резец специальной формы и клиновой подаватель, регулирующий высоту подъёма резца. Резец проходит все нарезы в соответствии со спецификацией ствола, потом клиновой подаватель чуть смещается, приподнимая резец на несколько микрон, и повторяется цикл обработки; каждый раз снимается тончайший слой металла. В среднем для формирования нарезов на стандартную глубину (для большинства калибров глубина нареза – 0,1 мм) требуется около 80 проходов инструмента. После обработки ствол также подвергается лаппингу для удаления следов обработки и улучшения шероховатости. Данный метод имеет ряд ограничений по применяемым материалам: вязкие и твёрдые стали обработать с нужным качеством невозможно. В России этот метод использует компания «Орсис», что позволяет им получать стволы непревзойдённого качества, позволяющие побеждать в чемпионатах мира по снайперской стрельбе, есть в активе и победа в чемпионате Европы по Ф-классу. Наиболее известные производители стволов данным методом находятся в США. Следует упомянуть Bartlein barrels и Krieger barrels. Последние 10 лет именно стволы Bartlein абсолютно доминируют во всех соревнованиях по высокоточной стрельбе в мире, стволы этого производителя массово применяют и частные оружейники для построения кастомных винтовок для спорта и охоты. Применяют «резаные» стволы и военные, можно упомянуть Barrett (США), MacMillan (США) и MSR Remington (США).
Основное отличие между Bartlein barrels и всеми остальными, в том, что Bartlein barrels первыми смогли построить станки с ЧПУ для нарезания канала ствола, добившись высочайшей повторяемости по углу шага нарезов, по точности позиционирования нарезов и так далее. Все остальные производители используют старые станки Pratt & Whitney, большинство из которых выпущено ещё до Второй мировой войны, и за счёт механического позиционирования проигрывают по точности ЧПУ.
Также следует упомянуть ещё некоторые методы изготовления стволов. Прежде всего это протяжка. Протяжка – это многолезвийный, довольно длинный инструмент, формирующий канал ствола в специальном станке резанием за один проход. Применяется или для изготовления пистолетных стволов, или для крупных калибров нарезного оружия, в основном .50 калибра для дульнозарядных винтовок. Более мелкие калибры обработать невозможно: не хватает жёсткости инструмента. Есть также метод под названием «волочение», чем-то сходный с ротационной ковкой, только сжатие ствола на оправке происходит не под ударами молотков, а давлением специальных роликов, сжимающих металл. Метод применяется очень ограниченно.
Всё описанное выше относится к изготовлению заготовки ствола, или ствольному бланку, а это ещё не ствол. Следующая важная операция – это изготовление патронника и соединительных систем. Патронник разворачивается специальными развёртками. Обычно используют несколько инструментов: сначала сверлом с «пилотом» или «направлением», формируют отверстие, далее грубой развёрткой формируют основную геометрию патронника, а финишной развёрткой получают уже окончательную форму. Система соединения ствола может быть различной: это или резьбы, или штифтовые посадки, или иной способ в зависимости от конструкции конкретного образца. Есть модели, в которых даже боевые упоры выполнены в стволе.
После изготовления патронника ствол может быть подвержен термической или термохимической обработке. Часто производители производят закалку патронника, применяя индукционную печь и быстрое охлаждение. Ствол может быть покрыт изнутри хромом для увеличения ресурса и повышения стойкости к пулям с оболочкой из стали. Также ствол может быть подвергнут различным способам плазменного упрочнения, вакуумного напыления, азотированию, карбонитрации. С внешней стороны ствол может быть оксидирован, покрашен или покрыт иным способом.
Разнообразие способов и методов дальнейшей обработки бланка ствола велико и может иметь существенные отличия у разных производителей. Конечную оценку этим усилиям вынесет потребитель, купив то или иное оружие и получив с ним практический опыт.
