CH682843A5

CH682843A5 - Ceramic fibre-reinforced barrel for firearms - has screw-like coiled fabric strips on internal surface of barrel with their face ends inclined downwards along the shooting direction

Info

Publication number: CH682843A5
Application number: CH91690A
Authority: CH
Inventors: Samuel Schmid
Original assignee: Oerlikon Buehrle Ag
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1993-11-30

Abstract

Ceramic composite tube for the barrel of a firearm consists of a fibre-reinforced material made into a strip (14) with fibres fixed together at one end (17) and loose the other. The strip is coiled on a mandrel (18) in a screw-like manner so that the free ends of the fibre are inclined towards the tube axis (23) in the shooting direction (A). The fibre reinforced material is carbon reinforced silicon carbide or carbon. The outer layer (11) of the barrel (10) is also a fibre material. The ceramic composite tube is produced as a continuous endless tube by winding around a mandrel with protruding cams. ADVANTAGE - The tube has good high temp. resistance, good wear resistance, good corrosion resistance and good temp. change resistance. It also has good mechanical strength, low brittleness and high tensile strength. Avoids the expensive shrink fitting method of the prior art.

Description

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CH 682 843 A5 CH 682 843 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Keramikverbundrohr für Feuerwaffen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäss Anspruch 7. The invention relates to a ceramic composite barrel for firearms according to the preamble of patent claim 1 and a method for its production according to claim 7.

Bei einem bekannten hochfesten Keramikverbundrohr (siehe deutsche Offenlegungsschrift Nr. 2 821 595 A1) wird auf ein keramisches Innenrohr ein Aussenrohr aus Metall- oder Keramikmaterial aufgeschrumpft. In a known high-strength ceramic composite pipe (see German Offenlegungsschrift No. 2 821 595 A1), an outer pipe made of metal or ceramic material is shrunk onto a ceramic inner pipe.

Ein anderes bekanntes Geschossrohr für Feuerwaffen (siehe deutsche Patentschrift Nr. 3 122 316 C2) enthält eine Geschosslaufbahn, deren Oberfläche aus Keramik besteht, und ein Mantelrohr, wobei ein Keramikrohr verwendet wird, welches unter Druckvorspannung von diesem Mantelrohr umgeben ist. Another known bullet tube for firearms (see German Patent No. 3 122 316 C2) contains a bullet track, the surface of which is made of ceramic, and a jacket tube, wherein a ceramic tube is used which is surrounded by this jacket tube under pressure prestress.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines mindestens eine Keramikschicht aufweisenden Schutzüberzuges (siehe deutsche Auslegungsschrift Nr. 2 809 709 B1) wird auf einem auflösbaren Formteil seitlich nacheinander zunächst In a known process for the production of a protective coating having at least one ceramic layer (see German design specification No. 2 809 709 B1), a dissolvable molded part is first made in succession on the side

- eine Metallschicht und/oder eine Keramikschicht, sodann - A metal layer and / or a ceramic layer, then

- eine oder mehrere Cermet-Schichten mit kontinuierlich oder schichtweise abnehmendem Keramikanteil und schliesslich noch - One or more cermet layers with continuously or layer-wise decreasing ceramic content and finally

- eine weitere Schicht aus Metall thermisch aufgespritzt und der so erhaltene Schutzüberzug mit der letztgenannten Metallschicht, vorzugsweise vor Beseitigung des Formteiles, durch Schrumpfen in feste Verbindung mit einer zu schützenden Bauteiloberfläche gebracht. - A further layer of metal is thermally sprayed on and the protective coating thus obtained with the last-mentioned metal layer, preferably before removal of the molded part, is brought into firm connection with a component surface to be protected by shrinking.

Alle diese bekannten Waffenrohre werden im Schrumpfverfahren hergestellt. All of these known gun barrels are manufactured using the shrink process.

Die Aufgabe, welche mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht in der Schaffung eines Waffenrohres mit guter Hochtemperaturfestigkeit, guter Verschleissfestigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und guter Temperaturwechselbeständigkeit. Ferner soll das Waffenrohr eine gute mechanische Festigkeit, geringe Sprödigkeit und dafür grosse Zugfestigkeit aufweisen, da bei Waffenrohren hohe Gasdrücke im Innern des Rohres entstehen. Insbesondere soll das Aufschrumpfen eines Aussenrohres auf ein Innenrohr vermieden werden, da solche Schrumpfverfahren sehr aufwendig sind, wenn eine zuverlässige Schrumpfverbindung erreicht werden soll. The object which is to be achieved with the present invention is to provide a weapon barrel with good high-temperature strength, good wear resistance, good corrosion resistance and good resistance to temperature changes. Furthermore, the gun barrel should have good mechanical strength, low brittleness and therefore high tensile strength, since high gas pressures arise in the barrel of gun barrels. In particular, the shrinking of an outer tube onto an inner tube is to be avoided since such shrinking methods are very complex if a reliable shrink connection is to be achieved.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Insbesondere soll ein faserverstärkter Werkstoff verwendet werden und die Fasern sollen - in Schussrichtung gesehen - schräg nach vorne gegen die Waffenrohrachse geneigt sein. Vorzugsweise wird als Werkstoff ein kohlenfaserverstärkter Kohlenstoff (carbonfaserverstärkter Carbon, CFC) verwendet. Vorzugsweise besteht das Waffenrohr aus einer inneren und einer äusseren Schicht, von denen die innere Schicht durch ein Faserband gebildet wird, das aus Faserabschnitten besteht, deren Länge der Bandbreite entspricht und die an ihrem einen Ende miteinander verbunden sind, wobei die Fasern quer zur Längsrichtung des Bandes angeordnet sind. In particular, a fiber-reinforced material is to be used and the fibers - as seen in the weft direction - should be inclined obliquely forward against the weapon barrel axis. A carbon fiber reinforced carbon (CFC) is preferably used as the material. Preferably, the weapon barrel consists of an inner and an outer layer, of which the inner layer is formed by a fiber band, which consists of fiber sections, the length of which corresponds to the bandwidth and which are connected to one another at one end, the fibers transverse to the longitudinal direction of the Band are arranged.

Das Verfahren zur Herstellung des Keramikverbundrohres weist die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 7 auf. Insbesondere wird ein Band aus Faserabschnitten hergestellt, deren Länge der Bandbreite entspricht und die an ihrem einen Ende miteinander verbunden sind, und dieses Band wird schraubenförmig zu einem Rohr gewickelt, so dass die Faserabschnitte mit ihrem freien Ende schräg nach vorne gegen die Waffenrohrachse geneigt sind. The method for producing the ceramic composite pipe has the features in the characterizing part of claim 7. In particular, a band is produced from fiber sections, the length of which corresponds to the bandwidth and which are connected to one another at one end, and this band is helically wound into a tube, so that the fiber sections are inclined with their free end obliquely forward against the weapon barrel axis.

Einzelne Ausführungsbeispiele des erfindungsge-mässen Keramikverbundrohres sind im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigt: Individual exemplary embodiments of the ceramic composite pipe according to the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawing. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Waffenrohr; 1 shows a longitudinal section through a weapon barrel.

Fig. 2 eine Ansicht eines Bandes aus Faserabschnitten gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel; 2 is a view of a band of fiber sections according to a first embodiment;

Fig. 3 eine Ansicht eines Bandes aus Faserabschnitten gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel; 3 is a view of a band of fiber sections according to a second embodiment;

Fig. 4 einen Dom zur Herstellung des erfindungs-gemässen Waffenrohres; 4 shows a dome for producing the weapon barrel according to the invention;

Fig. 5 einen anderen Dorn zur Herstellung des erfindungsgemässen Waffenrohres; 5 shows another mandrel for producing the weapon barrel according to the invention;

Fig. 6 eine Ansicht eines doppelt so breiten Bandes als in Fig. 2; Fig. 6 is a view of a tape twice as wide as in Fig. 2;

Fig. 7 ein Gewebe, das sich in eine Anzahl Bänder zuschneiden lässt; 7 shows a fabric that can be cut into a number of bands;

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Waffenrohrende mit Verstärkung. Fig. 8 shows a section through a gun barrel end with reinforcement.

Gemäss Fig. 1 weist das erfindungsgemässe Keramikverbundrohr 10 zwei Schichten 11 und 12 auf. Die äussere Schicht 11 ist durch drei aus Kohlefasern gebildete Fasergelege 13 verstärkt. Die innere Schicht 12 ist durch ein Faserband 14 verstärkt. Solche Faserbänder 14, oder genauer: solche Bänder 14 aus Faserabschnitten 15 sind rein beispielsweise in Fig. 2 und 3 dargestellt. Sowohl das aus Kohlefasern hergestellte Fasergelege 13 als auch das Faserband 14 sind in eine Verbundmasse aus Kohlenstoff (Pech, pyrolytisch behandelt) eingebettet, welche die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern des Gewebes als auch zwischen den einzelnen Fasern des Bandes 14 ausfüllt. Das ganze Waffenrohr 10 besteht somit aus einem kohlefaserverstärkten Kohlestoff, oder als Fremdwort: aus einem carbonfaserverstärkten Carbon, abgekürzt CFC, oder allgemein aus faserverstärkter Keramik. 1, the ceramic composite pipe 10 according to the invention has two layers 11 and 12. The outer layer 11 is reinforced by three fiber fabrics 13 formed from carbon fibers. The inner layer 12 is reinforced by a sliver 14. Such fiber tapes 14, or more precisely: such tapes 14 made of fiber sections 15 are shown purely for example in FIGS. 2 and 3. Both the fiber fabric 13 made of carbon fibers and the fiber ribbon 14 are embedded in a composite material made of carbon (pitch, pyrolytically treated), which fills the spaces between the individual fibers of the fabric and between the individual fibers of the ribbon 14. The entire weapon barrel 10 thus consists of a carbon fiber-reinforced carbon material, or as a foreign word: of a carbon fiber-reinforced carbon, abbreviated CFC, or generally of fiber-reinforced ceramic.

Bekanntlich hat Kohlenstoff im wesentlichen folgende Eigenschaften: As is well known, carbon essentially has the following properties:

- Kohlestoff, insbesondere in Form von Graphit, hat gute Gleiteigenschaften; - Carbon, especially in the form of graphite, has good sliding properties;

- Kohlestoff, insbesondere in Faserform, besitzt hohe Festigkeit, d.h. hier Zugfestigkeit; - Carbon, especially fiber, has high strength, i.e. here tensile strength;

- Kohlestoff, insbesondere als Karbid, weist eine hohe Härte auf und ist sehr hitzebeständig. - Carbon, especially as carbide, has a high hardness and is very heat-resistant.

im Hinblick auf diese Eigenschaften eignet sich Kohlenstoff zur Herstellung von Waffenrohren. Um den Anforderungen an ein Waffenrohr zu genügen, In view of these properties, carbon is suitable for the manufacture of gun barrels. To meet the requirements of a gun barrel,

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wird erfindungsgemäss ein faserverstärkter Werkstoff verwendet, wobei insbesondere auf die geeignete Anordnung der Fasern im Waffenrohr geachtet werden muss. Wie aus Fig. 1 ersichtlich sind die Faserabschnitte schräg nach vorne gegen die Waffenrohrachse 23 geneigt. Die Schussrichtung ist durch einen Pfeil A angedeutet. Diese Anordnung der Fasern verbessert die Gleiteigenschaften der Waffenrohrinnenwand. Vorzugsweise werden sehr feine Fasern verwendet, mit einem Querschnitt von beispielsweise 4 Mikrometer Durchmesser. Die grosse Beanspruchung des Waffenrohres durch den Gasdruck, beim Abschuss eines Geschosses, wird durch die äussere Schicht - die durch ein Gelege verstärkt ist - aufgefangen. According to the invention, a fiber-reinforced material is used, particular attention being paid to the suitable arrangement of the fibers in the weapon barrel. As can be seen from FIG. 1, the fiber sections are inclined obliquely forward against the weapon barrel axis 23. The direction of fire is indicated by an arrow A. This arrangement of the fibers improves the sliding properties of the weapon barrel inner wall. Very fine fibers are preferably used, with a cross section of, for example, 4 micrometers in diameter. The great stress placed on the weapon barrel by the gas pressure when a projectile is fired is absorbed by the outer layer - which is reinforced by a scrim.

Mit der beschriebenen Anordnung der Fasern in der inneren Schicht des Waffenrohres wird auch eine grosse Biegesteifigkeit des Waffenrohres erreicht. Gemäss Fig. 2 werden die Faserabschnitte 15 an ihrem einen Ende durch ein gewobenes Band 16 miteinander verbunden. Gemäss Fig. 3 können die Faserabschnitte an ihrem einen Ende durch eine Gruppe von Längsfäden 17 aneinander geklebt werden. Gemäss Fig. 4 wird das aus Faserabschnitten 15 hergestellte Faserband 14 auf einen Dorn 18 schraubenförmig aufgewickelt, wobei die Steigung beispielsweise so gewählt werden kann, dass das Faserband im rechten Winkel zu den Drallnuten des Waffenrohres gerichtet ist. Gemäss Fig. 5 sind Drallnocken 24 am Dorn 18 vorhanden, durch welche beim Aufwickeln des Faserbandes 14 auf den Dorn 18 entsprechende Drallnuten auf der Innenwand des Waffenrohres 10 eingeprägt werden. Gemäss Fig. 6 kann ein doppeltbreites Band hergestellt werden, das anschliessend in der Mitte durchgeschnitten wird. Dabei ist es nicht notwendig, einzelne Faserabschnitte zu verwenden. Die Faserabschnitte 15 werden durch einen Schussfaden 19 gebildet, der an beiden Kanten mit Kettfäden 20 zu einem Band 21 verwoben und anschliessend geschnitten wird. Gemäss Fig. 7 kann auch ein breites Gewebe hergestellt werden, das anschliessend in mehrere Bänder 14 zerschnitten wird. Gemäss Fig. 8 werden die Rohrenden des erfindungsgemässen Waffenrohres durch ein Metallteil 22 verstärkt. Solch eine Verstärkung aus einem im Querschnitt L-förmigen Metallteil verhindert eine Beschädigung des relativ spröden Waffenrohres durch unerwünschte Stösse beim Transport. Je nach der Ausbildung des Domes lassen sich Glattrohre oder Drallrohre mit Konstantdrall oder mit Progressivdrall herstellen. With the described arrangement of the fibers in the inner layer of the gun barrel, a great bending stiffness of the gun barrel is also achieved. According to FIG. 2, the fiber sections 15 are connected to one another at their one end by a woven band 16. 3, the fiber sections can be glued together at one end by a group of longitudinal threads 17. 4, the fiber sliver 14 made from fiber sections 15 is wound helically on a mandrel 18, the pitch, for example, being chosen so that the fiber sliver is oriented at right angles to the swirl grooves of the weapon barrel. According to FIG. 5, swirl cams 24 are provided on the mandrel 18, by means of which corresponding swirl grooves are impressed on the inner wall of the weapon barrel 10 when the sliver 14 is wound onto the mandrel 18. 6, a double-wide band can be produced, which is then cut through in the middle. It is not necessary to use individual fiber sections. The fiber sections 15 are formed by a weft thread 19, which is woven at both edges with warp threads 20 to form a band 21 and then cut. 7, a wide fabric can also be produced, which is then cut into several bands 14. 8, the tube ends of the weapon barrel according to the invention are reinforced by a metal part 22. Such a reinforcement made of a metal part with an L-shaped cross section prevents damage to the relatively brittle weapon barrel by undesirable impacts during transport. Depending on the design of the dome, smooth tubes or swirl tubes with constant twist or with progressive twist can be produced.

Claims

1. Ceramic composite tube (10) for firearms, characterized in that the tube (10) consists of fiber-reinforced material and the fiber sections (15) in the weft direction (A) are inclined obliquely forward against the tube axis (23).

2. Ceramic composite pipe according to claim 1, characterized in that the fiber-reinforced active ingredient is a carbon fiber-reinforced silicon carbide.

3. Ceramic composite pipe according to claim 1, characterized in that the fiber-reinforced material is a carbon fiber reinforced carbon.

4. Ceramic composite pipe according to claim 1, characterized in that the tube (10) consists of an outer and an inner layer (11, 12), of which the inner layer (12) is formed by a sliver (14) made of fiber sections (15), the length of which corresponds to the band width and which are connected to one another at one end, the fiber sections (15) being arranged transversely to the longitudinal direction of the fiber band (14).

5. Ceramic composite pipe according to claim 4, characterized in that the outer layer (11) is reinforced by a fiber fabric (13).

6. Ceramic composite pipe according to claim 4, characterized in that the fiber sliver (14) is arranged in helically wound layers.

7. A method for producing a ceramic composite pipe (10) according to claim 1, characterized in that a fiber band (14) from fiber sections (15) is produced, the length of which corresponds to the band width and which are connected to one another at one end, and that this band (14) is wound helically to form a tube, so that the fiber sections (15) are inclined at their free end in the weft direction (A) obliquely forward against the tube axis (23).

8. The method according to claim 7, characterized in that a fiber fabric (13) is wound around the wound band (14).

9. The method according to claim 7, characterized in that the ceramic composite tube is continuously produced as an endless tube.

10. The method according to claim 7, characterized in that a mandrel (18) provided with swirl cams (24) is wound.

11. The method according to claim 9, characterized in that a swirl is wound by rotating a dome (18).

12. The method according to claim 7, characterized in that a progressive swirl is generated with the aid of a dome (18).

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