Elementos entos de fijación ación de uso aeronáutico ronáutico A ircraft hardware)
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EL EMENTO EM ENTOS S DE FI J ACIÓN ACI ÓN DE USO USO AERONÁUTI AERONÁUTICO CO (AI (AIRCRAFT RCRAFT HARDWARE) ¾
Introducción
El desarrollo de este apunte busca introducir al alumno en el conocimiento práctico de elementos de fijación utilizados en aeronáutica, refiriéndose a estos elementos como tornil tornillos de dife dif erente rentes s cla cl ases, ses, tuercas, re remaches, ches, etc. etc. Tam También ién se dará al alu alum mno la clas lasifica ificación ión utiliza ilizada en la ind industria aeronáutica ica y algu lgunas característi caracterí sticas cas mecánicas ecánicas de los mate materi rial ales es que que componen a estos elem elementos.
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General
Cuando nos referimos a elementos de fijación o hardware nos estamos refiriendo a diferentes tipos de dispositivos que permitirán unir o vincular elementos para la fabricación de componentes y partes de aeronave o para para el caso de reali realizar algún algún tipo tipo de reparación reparación sobre estructuras estructuras o partes de ella. L a adecua adecuada elecci elección ón de un elemento ento de fijación ación es es indi indispe spensa nsabl ble e para para lograr lograr una relati relativa va seguri segurida dad d de la opera operaci ción ón de una aeronave, eronave, es por ello ell o que los hardwares hardwares util utilizados en aeronáutica tienen características muy diferentes de aquellos usados en industrias más convencionales. El hardware utilizado en aeronáutica se clasifica mediante diferentes nomenclaturas las cuales cuales están dada dadas s por medio dio de una una especi especifficación cación numérica érica o, en al algunos casos, casos, ll l levan evan el el nombre del del fabrica bricante nte.. Los L os tornil tornillos, bulones y los los rem remaches ches son identi dentifficados cados conve convenciona ncionallmente como AN AN (A (Air Force Force and Navy), NA S (Na (Nationa tional A ircraft Stánd Stánda ard) o MS (Military Standard). L os elementos entos de fijación ación roscados (threa (threade ded d fasteners) fasteners) son los los más util utilizados cuando se se desea desea lograr una juntura de compone componentes segura segura y de gran rigi rigide dez, z, los util utilizados en la la industria aeronáutica pueden ser de dos tipos, los bulones (bolts y machine screws) y los tornil tornillos (shee (sheet meta etal screw). L a dif diferenci rencia a entre ellos ell os es es que que los prim primeros son son uti utillizados zados en en estructuras estructuras que demandan gran resistenci resistencia a mientras que los segundos segundos se apli plican en condici condiciones ones donde los estados de carga son baj bajos y no requi requieren eren una demanda de seguridad guri dad alta (por eje ejemplo, plo, podem podemos menci enciona onar los los utili util izados zados en en fi fijar tapa tapas de inspe nspeccione cciones). Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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Otra diferencia importante entre estos dos tipos de fijaciones es que los bulones tienen un tipo de rosca diferente al del tornillo, es decir para fijar dos componentes utilizando bulones se necesitará cesitará contar contar con una tuerca tuerca mientras entras que para para los los torni tornilllos se debe hace hacer un alojamiento hembra en uno de los componentes para que el tornillo se fije y de esa forma fije a las dos partes. Siguiendo con las diferencias físicas entre los dos tipos de fijaciones que estamos tratando se puede def definir nir el ¨gri ¨grip¨ p¨ de una una fij fi jación, ción, esta es la la longitud longitud no no roscada roscada que que tie tiene un bul bulón, ón, sien siendo do la la longi longitud tud roscada peque pequeña fren frente te a ésta. V ale ale aclara clara que que hay hay bulone bulones s que son totalm totalmente ente roscados, roscados, tien ti enen en apl aplicacione caciones s particul rti culare ares s como como unir unir dos pie piezas donde donde no se necesite necesite unazona zona no roscada roscada; en general general son bulones bulones de de longitudes ongitudes (shank) pequeñas. pequeñas.
L os tornil tornillos (screw) (screw) no presen presentan tan grip grip ya que, que, genera generallmente, ente, toda su longi longitud tud está roscada, roscada, suelen tener roscas cónicas helicoidales o helicoidales.
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Otra Otra dif diferenci erencia a marcada arcada entre estos estos dos tipos tipos de fijacione aciones s es que los bulone bulones s poseen poseen cabezas hexagonal (general) ral) y tipo tipo al allen mientras entras que los tornil torni llos gene general ralm mente ente prese presenta ntan n cabezas con ranuras u orificios para introducir un destornillador o alguna otra herramienta semejante (Torx, allen, etc).
Tor Torx ¾
Clasificación de las roscas
L as fijacione ciones de uso aeronáuti ronáutico co (bulone (bulones, tornil tornillos, tuercas, tuercas, etc) etc) poseen rocas rocas normalizadas bajo las normas: - A merica rican n National National Stand Standa ard Unif Unifiied Coarse (UNC) (paso grueso) - A merica rican n Nati Nationa onal Stand Standa ard Unif Unified Fine Fine (UNF) (paso fino) Originalmente la designación eran NC y NF y fue cambiando a UNC y UNF. Un ejemplo que podemos poner de mani maniffiesto es el el caso de un bulón bulón de ¼ de pulgada pulgada, este se designaría en UNC como ¼ - 20 y en UNF ¼ - 28, esto significa que para el primer caso UNC la tuerca girará o rotará veinte veces para recorrer una pulgada mientras que para la UNF deberá girar 28 veces para recorrer la misma distancia. A continua continuación ción se prese presenta nta una una tabla bla con un resum resumen de de los los tipos tipos de bul bulone ones s con roscas roscas UNC y UNF. Puede observarse que antes de la medida de ¼ de pulgada no se especifica al bulón bulón con la la medi edida del del diám diámetro sino sino con un número (da (dash, sh, #, 10 por ejem ejemplo) plo),, esto esto es puramente nomencl nomenclatura. atura. Para Para este caso #10 signi signiffica que es un bulón bulón de 3/16 3/16 de pulgada pulgada de 24 ó 32 hilos por pulgada (UNC o UNF) y para su designación se escribirían: #10-24 ó #10-32 (m (más util utilizado en en la la industri industria a aeronáutica) utica) Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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Tamaño Hilos por pulgada Tam del bulón (HPP o TPI) No. o UNF pulgadas UNC 80 #0 64 72 #1 56 64 #2 #3 48 56 40 48 #4 #5 40 44 #6 32 40 32 36 #8 24 32 #10 24 28 #12 1/4 20 28 18 24 5/16 3/8 16 24 7/16 14 20 13 20 1/2 12 18 9/16 11 18 5/8 3/4 10 16 9 14 7/8 1 8 12 1-1/8 7 12 7 12 1-1/4 1-3/8 6 12 6 12 1-1/2 1-3/4 5 2 4-1/2 2-1/4 4-1/2 2-1/2 4 4 2-3/4 4 3 4 3-1/4 3-1/2 4 3-3/4 4 4 4
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Equivalencia entre #y pulgada
3/64 1/16 5/64 3/32 7/64 1/8 9/64 5/32 3/16 15/64
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A su vez vez las l as roscas se se clasif clasifican segú según n la la tol toleranci rancia a que que esta establ ble ece el fabrica bricante nte,, así se tie tiene la siguiente clasificación: a) Clase 1: loose loose fit (holga (holgado) 1A para para roscas roscas externa externas o 1B roscas internas b) Clase 2: free free fit (li (l ibre) bre) 2A for exte externa rnall threads o 2B 2B roscas internas c) Clase ase 3: 3: medium dium fit (se (sem mi ajustado) 3A roscas roscas externas rnas 3B roscas internas d) Clase 4: close fit (ajustado), obsoleto e) Clase 5: 5: todavía vía se util utiliza para roscas roscas de ajuste con interferencia L os bulones de de uso uso aeronáuti ronáutico co están dentro dentro de la la cla clasif sificaci cación ón Cl Clase 3, 3, las tuercas tuercas de uso aeronáutico tienen clasificación Clase 3 y 5, estas últimas deberán ajustarse con un torquí torquímetro o ll llave de de fuerza fuerza pa para rea realizar zar el ajuste uste. Los L os torni tornillos tie tienen cla clasif sificaci cación ón Cla Clase 2 porque posibilitan un ensamblado rápido.
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Bulones aeronáuticos (Bolts)
L os bulone bulones s de uso aeroná aeronáutico utico se fabri abrican can con dif diferente erentes s material ri ales, es, aleacione aleaciones s de acero, aleaciones de aluminio y de titanio, se les aplica tratamientos anticorrosivos como el cadmiado en el caso de aceros y anodi anodizado zado en el caso de alea aleacione ciones s de aluminio. nio. L os bul bulone ones s de de acero util utilizan aleaci aleacione ones bajo bajo espe especi cifficación AI AI SI 4037 4037 (acero (acero al aleado, molibdeno principal aleante) y 8740 (triple aleado, Ni, Cr, Mo, es el más utilizado), con de alta resistencia tanto a la tracción, corte y fatiga. Tienen tensiones máximas (valores mínim nimos) de 830 830 MPa MPa (120 (120 kpsi) kpsi) y son util utilizada zadas en las estructura estructuras s aeron aeroná áutica uticas s por su alto compromiso de segu seguri rida dad, es es común utili util izar bulone bulones s ba bajo la la cla clasif sificaci cación ón A N, MS M S y NAS. NA S. Debido a las consideraciones anteriores las especificaciones para bulones aeronáuticos que están expuestos a tensiones cíclicas y dinámicas durante el servicio a menudo requieren la fabricación de filetes por medio de rolado en frío y luego estos ser tratados térmicamente. A segura seguramiento de la cal calidad de tal tales pernos pernos im impli plica estri estrictos ctos requi requisi sitos tos de materi teria al y Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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procesos de fabricación, la forma y dimensiones de los filetes, la microestructura (forma de flujo de grano y defectos), propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, resistencia ultima al corte, dureza, resistencia a la fatiga), rugosidad de la superficie, etc. A continua continuaci ción ón se presenta un estudio studio real realizado sobre sobre cuatro grupos de bulone bulones s de acero A I SI 4340 4340,, uno de de estos stos grupo grupos s fue fueron fabricados fabricados ba bajo esp espe ecif cificaci cacione ones MI MI L -B-7838 7838C C (apl aplicación cación aeronáutica), ronáutica), que establece blece que el bulón bulón debe debe ser tratado tratado térmi térmicamente ente y lue luego go rola rolado en fri frio. Los L os bul bulone ones se fabricaron bricaron con las siguie siguientes medida didas s ¾” -16 -16 UNF, todos templad plados os y reve revenidos nidos a un rango rango entre 37 37 a 41 41 Rc Rc de acuerdo cuerdo a MI MI L -H-6875. 6875. Todos Todos fueron cadmiados luego de fabricados. L os resultados resultados fueron ueron los los siguie siguientes
Puede observarse la cantidad de ciclos a la falla por fatiga de aquellos bulones con procesamiento HT/R (tratado térmicamente y rolado), un proceso dificultoso de obtener en la práctica por el excesivo desgaste del equipo y complicación de la fabricación pero que cumple ple con las especif cificaci cacione ones aeronáuti ronáuticas cas baj bajo MI MI L .
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De la la tabl tabla a 3 se puede puede observar rvar un aum aumento del del orden orden de cuatro tro veces (4) (4) en la canti cantidad dad de ciclos a la falla por fatiga para un bulón fabricado según especificaciones aeronáuticas respe respecto a los los otros fab fabri ricad cados os con procesos procesos no apli plicados cados en la la ind industri ustria a aeroná eronáutica utica (M/H (M /HT T y HT/M). Tod Todos presentaron el mism ismo tipo ipo de falla falla por fat fatiga iga pero a difer iferentes números de ciclo iclos s.
En las siguientes fotografías se expone la forma del flujo del grano en la raíz del filete para los diferentes procesos de fabricación utilizados.
a) Rolado en frío luego tratado térmicamente (R/HT) b) Tratado térmicamente luego rolado en frío (HT (H T /R) /R ) (proce (pr oceso de acuer do a espe especif cifiicaciones caciones ae aeronáuticas) Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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En la figura anterior se presenta el flujo del grano en la raíz de la rosca o filete
c) Tra Tr atad tado térm térmic ica amente lue luego mecaniza izado (HT/M) d) Mec Mecaniza izado y trata tratad do térmic rmica amente(M/HT)
En muchos casos los fabricantes de aeronaves fabrican bulones con diferentes dimensiones y resistencias con características superiores a los estándares. Estos bulones fabricados particularmente o de aplicación particular, son identificados estampándole la letra "S" en la cabeza de éstos. stos. L as cabezas cabezas de los bulones bulones pueden ser de variada vari adas for form mas, las las más comunes son las las hexagon hexagonal ales es pero pero también bién están las ll llamadas adas eyes bolts bolts y cl clevis vis (cabe (cabeza con ranura), etc. Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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L os fa fabrica bricados dos bajo espe especif cificación AN A N tie tienen nen cabe cabezas como las l as nom nombrada bradas s ante anteri riorm ormen ente te mientras entras que que las NA S tien tienen en cabezas hexa hexagona gonales y tipo tipo al allen. en.
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Bulones de aplicación general
L os bulones AN AN de titipo cabe cabeza za hexagona xagonal son utili util izados zados en en todo tipo tipo de estructura aeronáutica ronáutica y gene general ralm mente, ente, los los más util utilizados, son los desi designa gnados como AN AN3 hasta A N20. L os bul bulones ones de alumini aluminio o con diám diámetros menores enores a 1/4 in in no son son util utilizados en estructuras structuras primarias. Estos tipos de bulones no son utilizados cuando, por cuestiones de manten anteniimiento, ento, son retirados retirados repetida tidam mente ente del del servici servicio o y tampoco son util utilizados en aeronaves anfibias debido a que se incrementa la posibilidad de tener corrosión por diferencia de materiales (diferente potenciales). L os bul bulones con cabeza beza tipo all allen ba bajo designa signación ción MS MS o NA NAS se fabrican fabrican con aceros ceros y aluminios de alta resistencia aptos para trabajar al corte como a la tracción, bajo desi designa gnación ción MS MS se tie tienen nen a los los bul bulones compre comprend ndiidos entre MSMS-20 20004 004 y MSM S-200 20024, 24, correspond correspondiiéndol ndole e la design signac aciión NAS NA S 495. 495. Una particularidad de estos bulones es que si su aplicación va a ser sobre una superficie de acero, acero, se deberá berá acomodar odar el aguj agujero ero de al alojam ojamiento ento (f (fresado) resado) de tal manera anera que que el ampli plio radio radio que que se forma en la cabeza no inte interf rfiiera con el materia ri al a fijar. En En caso detratarse tratarse de de
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una supe superf rfiicie cie de alea aleación ción de al aluminio nio se debe deberá rá proveer de una arande arandela para que asien siente te la cabeza cabeza del bulón bulón y aseg asegurar urar un buen conta contacto. cto. L os bul bulones NA NAS no pueden den ser ser sustitui sustituidos dos por por los l os AN AN porque porque estos no pose poseen una una adecu adecuad ada a resisten resistenci cia a equi equivalen valente. te.
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I dentifi ntificaci cación ón debul bulones AN AN
Se ide identi ntiffican con sím símbolos, bolos, códigos códi gos o marcas real realizadas en en la la cabeza de éstos. Las L as marcas denota denotan n gene general ralm mente ente el fabri abrican cante te del bulón, bulón, el material ri al y si se trata de un un bulón bulón estándar o especial. L os bulones de acero AN A N están estánda darr ll llevan evan marcas de tipo tipo raya o asterisco, ri sco, la l a raya tambié bién indica resistencia a la corrosión, mientras que los fabricados en aluminio se los identifica con dos raya rayas. Hay tablas que nos permiten identificar a estos bulones, a continuación se darán ejemplos de la manera nera en en que que seinterpreta la codi codificaci cación ón de los bulones AN AN. V eamos algunos algunos ejemplos: plos: 1) A N3DD5A se interpreta rpretarí ría a com como: A N: estandares de la Air force force and Navy 3: indica el diámetro del bulón en dieciséis avas partes de pulgada (3/16 in) DD: aluminio 2024 5: ind i ndiicará la long longiitud en octavas octavas partes de pul pulgada gada, es deci decirr 5/8 5/8 in. in. A : indica que el bul bulón no está está pe perforad rforado o (e (en la la zonaroscada roscada)
NOTA 1: si en ves de DD estuviera la letra C, se tendría un acero resistente a la corrosión. NOTA 2: si no hubiese ninguna letra indicará que la protección es cadmiado 2) A N7676-17 es es un bul bulón de cabe cabeza hexagona xagonal aguj gujereada (usado en en hél hélices y dif difícil cil de conseguir), guir), pero la l as caracte característi rísticas cas mecáni cánicas cas del del bulón son igu iguales ales al al A N6 con lo cual Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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pue pueden ser inte i ntercam rcambia biables. El El A N7676-17 sue suele se ser susti sustituido por por el A N6H-17 6H-17A A , la la H signi signiffica que que esta esta agujere gujeread ado o en en la la cabeza beza con lo lo cual cumple la la misma función. unción. A continuaci continuación se muestra uestra una una tabla bla con la las dif diferente rentes s indicaci indicacione ones según según AN AN
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Tuercas aeronáuticas (Nuts)
Existe xisten vari varios os tipos de tuercas las cuales pue pueden den cum cumpli plir con especif cificaciones A N, NA NA S y MS. L as mas comúnmente ente util utilizadas son las las tipo tipo autof autofrena renantes las las que que poseen poseen un un aro aro de polietileno vinculado al metal de la tuerca (retención elástica) o bien con retención metálica (AN (A N 363 363 y MS MS 21042 21042)) y las castil castilllo (castl (castle e AN AN 310 310 y AN A N 320) 320) la las cua cuales no pose poseen fre freno no sino sino que se frenan por por medio edio de una chaveta (com (comúnmente usada en vincul vinculaci ación ón de superficies móviles o de desmontaje repetido).
Castle nut
L a vari varied eda ad de tuercas es am ampli plia y otro tipo tipo común común de menci enciona onarr son las l as ll llamadas adas tuercas anclad ancladas as (anchor nuts). Estas partes permiten insta installar estas tuercas en en zonas donde donde lue luego go será será di difícil cil accede ccederr una vez cerrada la estructura. structura. Se desi designa gnan con clas clasiificaron caron AN AN, NA NA S y MS y el ajuste es tipo tipo 3 como en el caso caso de los bulone bulones. s.
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Remaches (Rivets)
L os remaches ches util utilizados zados en ae aeronáuti ronáutica ca pue pueden clas clasiificarse carse según el materia ri al de fabrica fabricaci ción ón y según el mecani ecanismo smo con el cual se apli plican aun componente componente.. Del punto de vista del material se fabrican de aleación de aluminio (de uso estructural y no estructural) de acero inoxidable y de titanio (usos muy particulares). L os remaches ches de aleaci aleación ón dealumi aluminio nio y de tita titani nio o pueden ser ser tipo ti po macizo acizo o tipo tipo Che Cherry rry,, los de inoxidable son tipo Cherry. El sistema Cherry es semejante al clásico pop usado en la industria en general, Cherry es una marca registrada. Hay una variedad importante de remaches Cherry, los principales grupos: 1) CherryMax 2) Bulbed CherryLock rryL ock Departamento de Aeronáu eronáuti tica ca - FI - UNL P
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3) Cherry herry Q y N (estructural (estructural y no estructural structural) 1) CheryMax: Remache de alta resistencia estructural. Cuenta con un anillo "Safelock" para lograr una integridad estructural más confiable. Cumple requisitos de PSCMR-3000.
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2) Bulbe ulbed d Che CherryL rryL ock: estos remache aches son estructu estructural rales es y pose poseen un husil husilllo (mand (mandri rill) que corta corta en forma normal normal,, es decir cir es de cizal cizalllamiento ento compl completo; eto; cumplen plen la especif cificaci cación ón NA S1740, S1740, NAS173 NA S1738 8 y NAS173 NA S1739. 9. Por sus sus caracterí cterísti stica cas s pueden ser ser util utilizados en forma óptim óptima
tanto tanto en chapas chapas gruesas y
del delga gada das. s.
Por estas características se lo utiliza en zonas donde existen vibraciones.
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3) Cherry Q y N Son Son remaches aches los los cuales cuales son colocados colocados mediante ediante sistem sistemas manuales o mecánicos, ecánicos, son util utilizados para para unir unir pieza piezas s que no demanda andan n grande grandes s esf esfue uerz rzos os (N) (N), mien mientras tras que que los Q son estructurales. Estos ultimos resisten bien las vibraciones dado la forma que toma el lóbulo del del remache en el extremo del vástago, vástago, sell sellan el aloj alojam amiento ento donde se insta installa deb debiido a que que su vástago queda reteni retenido, do, es por ell ello que se uti utillizan en estructuras. estructuras. En E n las las tablas blas que se presentan presentan a continuaci conti nuación ón se presentan presentan las las caracterí característi sticas cas mecánicas ecánicas de estos remaches aches y su designación o nomenclatura.
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