СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ БОЕПРИПАСОВ
METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF AMMUNITION

Изобретение относится к изготовлению боеприпасов, а именно к способам обработки поверхности пули или снаряда для повышения эффективности стрельбы за счет улучшения внутренней баллистики.
Внутренняя и внешняя баллистика боеприпаса описаны в источниках [Основы стрелкового оружия / Ф.К. Бабак. - М.: ООО «Издательство АСТ»; 2004. - с. 253; Ракетно-артиллерийское вооружение / В.П. Демиденко, И.К. Махонина и др. - Министерство обороны СССР; 1998. - с. 220].
После передачи энергии от курка к капсюлю происходит взрыв ударного состава и воспламенение пороха в патроне. Сгорание пороха приводит к выделению газов и к увеличению давления, под действием которого пуля начинает движение, врезаясь в нарезы канала ствола и вращаясь по ним, продвигается по каналу ствола с возрастающей скоростью с выбрасыванием наружу по направлению канала ствола. При вращении пули по нарезам ствола происходит увеличение силы ее трения внутри ствола. При этом она отклоняется на небольшие углы при движении от нареза к нарезу с покачиванием (нутация). Такое движение приводит к тому, что направление траектории пули не совпадает с осью ствола. Эти явления приводят к рассеиванию при стрельбе и снижению эффективности стрельбы.
Для уменьшения влияния этих явлений применяют различные способы обработки поверхностей при изготовлении боеприпасов.
серд.
серд.
Известен способ изготовления бронебойных сердечников (патент РФ №2151369, МПК F42B 12/74 от 02.04.1999), включающий формообразование сердечника из легкодеформируемой малоуглеродистой стали, холодную штамповку и термическую обработку сердечника закалкой и отпуском, при этом упрочнение внешнего слоя бронебойного сердечника осуществляют химико-термической обработкой поверхности в среде карбюризатора при 900-1000°С на глубину h=(0,1-0,3)d, где d - диаметр сердечника, а окончательную термическую обработку сердечника осуществляют закалкой и отпуском внешнего слоя сердечника на твердость 55-60 HRC и сердцевины сердечника на структуру троостита отпуска твердостью 350-380 НВ.
Такой способ обработки поверхности способствует повышению прочностных характеристик боеприпаса, но не обеспечивает уменьшения влияния эффекта нутации при движении в стволе пули или снаряда, что приводит к снижению «кучности» при стрельбе.
3
Известна пуля с осесимметричной поверхностью (патент РФ №2224208, МПК F42B 12/82 от 26.02.2002), при изготовлении которой на ее поверхности наносят покрытие толщиной, равной (0,01-0,03)D, где D - диаметр пули, соответствующий калибру пули, на основе пленкообразующего органического носителя с наполнителем, при этом в качестве наполнителя используют продукты дегидратации гидратов, содержащих окислы из ряда: MgO, SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, Na2O, при содержании наполнителя в пленкообразующем носителе 0,05-0,15 г/см.
Известное техническое решение обладает недостатком, заключающимся в том, что пленкообразующий органический носитель на поверхности пули удаляется уже на начальном этапе движения пули в стволе за счет трения и не влияет существенно на внутреннюю баллистику пули при ее дальнейшем движении.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является известное техническое решение по патенту РФ №2382325, МПК F42B 14/02 от 21.01.2008), согласно которому формируют осесимметричную поверхность боеприпаса с кольцевыми выступами, разделенными кольцевыми канавками, при этом кольцевые выступы в продольном сечении выполняют прямоугольной или трапецеидальной формы с углом профиля не более 40°, при этом глубина кольцевых канавок в 1,05-2,5 больше рабочей высоты ведущего пояска, причем на поверхность стального ведущего пояска наносят антифрикционное покрытие.
Известное техническое решение обладает недостатком, заключающимся в сложности и высокой трудоемкости изготовления боеприпаса, обусловленной большим объемом механических операций, связанных с изготовлением кольцевых канавок и выступов со специальным профилем, что требует специального металлообрабатывающего оборудования.
Кроме того, данное техническое решение используется для изготовления ограниченного класса боеприпасов (только для артиллерийских снарядов).
Технический результат, заключающийся в уменьшении трудоемкости при изготовлении боеприпаса за счет исключения необходимости проведения указанных механических операций и в расширении класса изготавливаемых боеприпасов с улучшенными баллистическими характеристиками путем использования новых нанотехнологий, достигается в предлагаемом способе обработки поверхности боеприпасов, заключающемся в формировании осесимметричной поверхности боеприпаса и нанесении на нее антифрикционного материала, тем, что на осесимметричной поверхности боеприпаса создают рельефную микроструктуру путем лазерной абляции, осуществляемой воздействием лазерного луча на поверхность боеприпаса при его вращении вокруг своей оси с одновременным движением сфокусированного лазерного луча по обрабатываемой поверхности вдоль оси боеприпаса с обеспечением создания микрорельефа в виде ориентированных под углом α=15°-90° к оси боеприпаса борозд глубиной h до 50 мкм и с шагом t=20-70 мкм.
и
и
и
Указанный технический результат достигается также тем, что лазерную абляцию осуществляют импульсным лазерным излучением с длиной волны λ=(532-1064) нм, длительностью импульса τ до 200 наносекунд, частотой следования импульсов f до 200 кГц и импульсной мощностью излучения Р=(1-50) Вт, и тем, что лазерный луч фокусируют с размером сфокусированного пятна на поверхности боеприпаса d=5-8 мм.
Кроме того, технический результат достигается тем, что лазерный луч фокусируют на поверхности боеприпаса с помощью цилиндрической линзы в виде отрезка тонкой линии, направление которой совпадает с ориентацией борозд микрорельефа.
При этом борозды микрорельефа заполняют антифрикционным материалом.
Сущность изобретения поясняется чертежами и фотографиями, где:
- на фиг. 1 представлена функциональная схема установки для реализации предлагаемого способа;
- на фиг. 2 показана форма сфокусированного на поверхности боеприпаса лазерного луча;
- фиг. 3 иллюстрирует в увеличенном масштабе форму борозд микрорельефа, получаемых на осесимметричной поверхности боеприпаса;
- на фиг. 4 показано направление борозд микрорельефа по отношению к оси боеприпаса.
- на фиг. 5 - фиг. 8 приведены фотографии реальной поверхности боеприпасов, полученные при обработке поверхности боеприпасов по предлагаемому способу.
Установка для реализации предлагаемого способа (фиг. 1) содержит блок 1 управления сканированием (компьютер), сканатор 2 с оптической системой 3, электропривод 4, механически связанный с держателем 5, предназначенным для закрепления изделия 6 (пули или снаряда).
Блок 1 предназначен для управления работой сканатора 1 и электропривода 4.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Обработка осесимметричной поверхности боеприпаса производится на установке (фиг.1) по программе, записанной в блоке 1. В держателе 5 закрепляется боеприпас 6, ориентированный под заданным углом к падающему на его поверхность лазерному лучу 7. При этом лазерный луч фокусируют на поверхности боеприпаса с помощью оптической системы 3 в виде пятна (фиг. 2а) размером d=5-8 мм или отрезка линии длиной ℓ (фиг. 2b). Во втором случае фокусировка осуществляется с помощью цилиндрической линзы (на фиг. 1 не показана).
Боеприпас 6 приводится во вращение электроприводом 4, управляемым блоком 1, с определенной скоростью. При этом лазерный луч 7 перемещается (сканирует) по поверхности боеприпаса 6 вдоль его оси (показано стрелкой). Время взаимодействия лазерного луча 7 с материалом боеприпаса зависит от скорости вращения боеприпаса 6 и скорости перемещения лазерного луча 7, которые задаются программой в блоке 1.
При этом осуществляется лазерная абляция - процесс быстрого плавления и испарения материала, из которого изготовлен боеприпас, и формирование микроструктуры поверхности с обеспечением создания микрорельефа в виде ориентированных под углом α=15°-90° к оси боеприпаса борозд глубиной h до 50 мкм и с шагом t=20-70 мкм (фиг. 3).
Для осуществления абляции программой задаются параметры лазерного излучения (плотность энергии, длина волны, длительность импульса, частота повторения импульсов), что позволяет создавать рельефную микроструктуру поверхности.
и
и
и
Лазерную абляцию осуществляют импульсным лазерным излучением с длиной волны λ=(532-1064) нм, длительностью импульса τ до 200 наносекунд, частотой следования импульсов f до 200 кГц и импульсной мощностью излучения Р=(1-50) Вт.
При этом лазерный луч фокусируют с размером сфокусированного пятна на поверхности боеприпаса d=5-8 мм (фиг. 2а).
Другим вариантом является фокусировка лазерного луча на поверхности боеприпаса с помощью цилиндрической линзы в виде отрезка тонкой линии (фиг. 2b), направление которой совпадает с ориентацией борозд микрорельефа, что способствует концентрации энергии лазерного луча 7 в определенном направлении по ориентации получаемого микрорельефа.
и
и
и
Конкретные значения λ, τ, f и Р из указанных диапазонов, определяющие степень абляции, зависят от свойств материала, из которого изготовлен боеприпас, и заданных параметров микрорельефа h и t для каждого вида боеприпаса.
После обработки поверхности до покрытия микрорельефа поверхности антифрикционным материалом проведены исследования микрорельефа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Примеры полученных микрорельефов приведены на фотографиях (фиг. 5-8).
Данные о параметрах микрорельефа сведены в таблицу.
После лазерной обработки поверхности микрорельеф заполняют антифрикционным материалом, в качестве которого может быть использована композиция на основе парафина или полимерная антифрикционная композиция.
При этом «смазка» проникает в углубления рельефа.
Вид модифицированной поверхности боеприпаса в разрезе схематически представлен на фиг. 3.
Расчеты показывают, что площадь модифицированной по предлагаемому способу поверхности боеприпаса увеличивается в 3 раза по отношению к необработанной осесимметричной поверхности, что обеспечивает больший объем антифрикционной композиции, заполняющей борозды микрорельефа (на фиг. 3 показано серым цветом).
Подача такой «смазки» происходит на всем этапе движения в стволе пули с микроструктурированной поверхностью.
Это способствует более плавному движению пули без качаний относительно оси ствола, поскольку обработанная по предлагаемому способу поверхность обладает улучшенными антифрикционными характеристиками, что приводит к меньшему разбросу углов траекторий пули на выходе из ствола.
Испытания на стенде четырехсот образцов показали, что использование такого боеприпаса приводит к повышению кучности при стрельбе на 22,5% в наилучшем варианте микроструктурирования поверхности в сравнении с использованием боеприпаса с необработанной поверхностью.
Предложенный способ может быть внедрен в массовое производство боеприпасов с улучшенными характеристиками при автоматизации технологических процессов изготовления боеприпасов различного вида.