ES2245329T3 - Componente estructural, especialmente para un avion, y procedimiento para la fabricacion de un componente estructural. - Google Patents

Abstract

Componente estructural (1), especialmente para un avión, que está compuesto al menos de una chapa (2) de revestimiento y que presenta elementos (3, 4) de refuerzo que están configurados en dirección longitudinal como largueros (3) y en dirección transversal, como elementos (4) de arriostramiento y que forman con la chapa (2) de revestimiento un componente unificado que se fabrica mediante un procedimiento de arranque de virutas a partir de una pieza semiacabada, caracterizado porque los elementos (4) de arriostramiento forman soportes (5, 6) de nervios que presentan distintas alturas de nervio en dependencia de la carga, así como forman nervios (7) de cuaderna que, en cada caso, se unen a la chapa (2) de revestimiento por una parte inferior del nervio con una sección transversal de transición, siendo mayor la superficie superior de revestimiento del nervio (7) de cuaderna, como superficie (7A) de conexión para un elemento (8) de cuaderna, que la superficie de la sección transversal de transición y estando dispuesto un elemento (8) de cuaderna en la superficie (7A) de conexión para completar una cuaderna.

Description

Componente estructural, especialmente para un avión, y procedimiento para la fabricación de un componente estructural.

La invención se refiere a un componente estructural, especialmente para un avión, que está compuesto al menos de una chapa de revestimiento y que presenta elementos de refuerzo que están configurados en dirección longitudinal como largueros y en dirección transversal, como elementos de arriostramiento y que forman con la chapa de revestimiento un componente unificado que se fabrica mediante un procedimiento de arranque de virutas a partir de una pieza semiacabada.

En la fabricación actual de componentes estructurales de gran superficie, especialmente monocascos de fuselaje para un avión, se usan chapas de revestimiento o paneles de revestimiento con dimensiones de aproximadamente 2,5 m x 10 m. Para la fabricación del monocasco de fuselaje se usa el tamaño máximo posible para minimizar el número de costuras longitudinales y transversales y, de esta forma, el peso del casco del avión. La minimización del peso estructural tiene un papel importante en la construcción aeronáutica respecto a la demanda energética y, por consiguiente, en la rentabilidad de un avión. Una minimización del peso condiciona una optimización de la mecánica estructural y, por tanto, las chapas de revestimiento están realizadas con diferente espesor según la solicitación. Por ejemplo, puede ser necesario engrosar la chapa de revestimiento en la zona de unión de los largueros. Los diferentes intervalos de espesor de la chapa de revestimiento se crean normalmente en la actualidad mediante un remachado chapa con chapa o mediante el pegado de chapa con chapa o mediante el fresado mecánico o mediante la erosión química. La erosión química de una chapa de revestimiento se realiza mediante el enmascaramiento de las chapas, el corte y la eliminación parcial de la máscara y la erosión química de la superficie descubierta. Para reforzar la chapa de revestimiento están previstos largueros que discurren longitudinalmente. Esta unión entre el revestimiento del fuselaje y el larguero se realiza normalmente mediante remachado o pegado. Para el próximo paso del procedimiento, el montaje de las cuadernas, se remachan elementos angulares, los llamados clips, en el revestimiento y los largueros. Este proceso de fabricación tan costoso de una estructura de monocasco de fuselaje se describe detalladamente en los informes sobre progresos de la VDI (Asociación de Ingenieros Alemanes), serie 2: Fertigungstechnik Nº 326, disertación 07/94 del Ing. Sup. Meter Heider, "Lasergerechte Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweissen grossformatiger Strukturbauteile", pág. 3 a 5.

En el documento DE-C19844035 se describe un procedimiento para la fabricación de componentes estructurales de gran superficie mediante construcción diferencial, así como posibles formas de construcción de un componente estructural que aprovechan el procedimiento de la soldadura con rayo láser para la colocación de una estructura de refuerzo sobre el panel de revestimiento. Los largueros, que discurren en la dirección longitudinal del avión, se sueldan sobre el panel de revestimiento. A partir de este estado de la técnica se conoce también la configuración mediante soldadura de las cuadernas o los elementos de cuaderna y, por tanto, la realización del componente estructural en su mayor parte como componente soldado. El documento EP-A-0078891 muestra un panel previsto como componente constructivo para un ala sustentadora de avión. El panel está configurado como parte integral que presenta nervaduras de refuerzo (largueros) que discurren longitudinalmente, así como nervaduras de refuerzo (cinturones de nervaduras) que discurren en ángulo recto respecto a estos. Aquí no está prevista ninguna variabilidad en relación con los elementos de arriostramiento dependientes de la solicitación ni la posibilidad de unir elementos de cuaderna.

El objetivo de la presente invención es configurar un componente estructural como componente constructivo para monocascos de fuselaje de avión, que se pueda producir mediante procedimientos de fabricación sencillos y poco costosos, optimizándose así el tiempo de producción y los costos de fabricación del componente estructural.

Este objetivo se alcanza, según la invención, mediante la aplicación de las medidas indicadas en la reivindicación 1. Un procedimiento para la fabricación de un componente estructural se explica en la reivindicación 4.

Aquí resulta especialmente ventajoso que la fabricación del componente estructural mediante el procedimiento indicado se optimiza desde el punto de vista del proceso y ya no resultan necesarios costosos procedimientos para reforzar adicionalmente o reducir el grosor de chapa para obtener un componente estructural con un peso menor. Mediante el fresado a alta velocidad se pueden realizar componentes estructurales sencillos, pero con numerosos detalles, especialmente estructuras monocasco. Además disminuye el peligro de corrosión al evitarse los puntos de empalme. Mediante la preparación de la adición de un elemento de cuaderna se logra completar el componente estructural y se crean posibilidades para la introducción de la carga en la estructura. Se puede reducir la cantidad de partes, lo que resulta ventajoso especialmente en el proceso de producción y disminuye el gasto por concepto de preparación del trabajo, logística de almacenamiento, encadenamiento de la construcción, seguimiento de la fabricación y aseguramiento de la calidad. En caso de un proyecto de componente sólo hay que cambiar una cantidad reducida de partes.

Variantes y configuraciones ventajosas de la invención se indican en las reivindicaciones subordinadas 2 y 3, así como 5 a 9.

Con las medidas según la reivindicación 2 es posible, por ejemplo, adaptar sin grandes gastos el revestimiento al tipo de carga respectivo a través de escalonamientos del grosor. De acuerdo con la representación según la reivindicación 3, los largueros pueden presentar escalonamientos individuales del grosor. La variante, según la invención, en forma de nervios con posibilidad de escalonamientos se puede lograr fácilmente mediante procedimientos con arranque de virutas.

Variantes ventajosas del procedimiento según las reivindicaciones 5 a 9 posibilitan una amplia automatización del proceso de fabricación. Mediante el control de proceso se puede llevar a la práctica fácilmente una configuración o proyecto del componente con cargas optimizadas. Mediante la aplicación de los procedimientos de fresado a alta velocidad y la soldadura con rayo láser a una alta velocidad del proceso de soldadura, se logra una combinación ventajosa que puede reducir considerablemente el gasto de fabricación. En el dibujo está representado un ejemplo de realización de la invención que se describe detalladamente a continuación mediante las figuras. En las figuras los elementos iguales se identifican con las mismas referencias.

Muestran:

Fig. 1 un componente estructural, según la invención, en una representación en perspectiva,

Fig. 2 el componente estructural según la figura 1, con un elemento de cuaderna añadido y

Fig. 3 una representación de una sección de una estructura de monocasco de fuselaje fabricada mediante el procedimiento actual de unión.

En la figura 1 se puede observar un componente estructural 1 de gran superficie. El componente estructural 1 está compuesto básicamente por un panel 2 de revestimiento, en el que están dispuestos elementos 3 y 4 de refuerzo que discurren en dirección longitudinal y transversal. Está previsto que el elemento estructural 1 esté conformado de una sola pieza y que se frese a partir de una plancha completa mediante arranque de virutas a alta velocidad. Las dimensiones de una pieza semiacabada de este tipo pueden ser, por ejemplo, 10 m x 2,5 m x 35 mm. A la posibilidad del fresado a alta velocidad, caracterizado por un incremento considerable de la cantidad de revoluciones del husillo y de la potencia de impulsión, va unida una potencia de arranque de virutas considerablemente mayor y, por consiguiente, un aumento de la productividad. El componente estructural 1 está previsto preferentemente para un uso como monocasco de fuselaje de avión. En la figura 3 está representada una zona de un monocasco 10 de fuselaje de avión, según el estado actual de la técnica, con el fin de explicar el proceso de fabricación convencional.

Mediante el componente estructural 1, según la invención, se logra una reducción de los costes de producción y acabado, respecto a la solución conocida. Los elementos 3 longitudinales de refuerzo, que en caso de un avión discurren en la dirección longitudinal del avión, están configurados como largueros. La separación entre largueros en el panel 2 de revestimiento se puede minimizar, lo que posibilita usar geometrías más delgadas de larguero y, por tanto, lograr ventajas en el peso respecto a un componente estructural convencional, y un mejoramiento de las características para la detención de grietas. En dirección transversal a los largueros 3 están previstos elementos 4 de arriostramiento, que se usan para reforzar el componente estructural y posibilitan, por ejemplo, que se pueda reducir longitud de pandeo de los largueros y se mejoren las características acústicas de un panel de revestimiento.

Los elementos 4 de arriostramiento están configurados como soporte 5 ó 6 de nervios que pueden presentar distintas alturas de nervio. Es así que el nervio 5 está realizado con una altura menor y el nervio 6, con una altura mayor, determinando un diseño dependiente de la carga la geometría del componente. Con el fresado a alta velocidad es posible también un control numérico del proceso de arranque de virutas y un acabado mayormente automático para la fabricación del componente. Con una geometría del componente, adaptada individualmente al tipo de carga, se pueden realizar de forma económica, en el componente estructural 1 mediante engrosamientos 9A o rebajamientos 9B en el panel 2 de revestimiento y mediante escalonamientos de grosores y alturas de los elementos 3, 4, 5 y 6 de refuerzo, ajustes o cambios que sólo se podrían lograr, según el procedimiento convencional para la fabricación de componentes monocasco 10 (véase la figura 3), con un gran gasto de fabricación y una gran diversidad de partes.

La geometría del componente, definida por el proyecto, se puede obtener en una configuración preferida con el apoyo de ordenadores y los datos geométricos se pueden usar con el fin de generar el programa de control numérico para el proceso de fabricación y, si es posible también, de forma automatizada. Por tanto, se puede fabricar el componente estructural 1 en una fresadora con control numérico sin gastos de montaje y sin una gran diversidad de elementos constructivos, así como se puede llevar a la práctica fácilmente mediante el control del proceso una configuración del componente con cargas optimizadas.

Como otro elemento 4 de arriostramiento, que discurre transversalmente, está previsto un nervio 7 de cuaderna que presenta al mismo tiempo una superficie 7A de unión para un elemento que se va a añadir. En la figura 2 siguiente se observa que un elemento 8 de cuaderna se puede colocar sobre el nervio 7 de cuaderna. El elemento 8 de cuaderna puede estar configurado preferentemente como pieza extrudida. Sin embargo, también es posible que este elemento se fabrique mediante un proceso de arranque de virutas, por ejemplo, mediante el fresado a partir de una plancha completa. Para la unión entre el nervio de cuaderna y el elemento de cuaderna se puede usar la soldadura con rayo láser ya conocida a partir del estado de la técnica.

Mediante una combinación de los procedimientos de fresado a alta velocidad y soldadura con rayo láser es posible simplificar considerablemente el proceso de fabricación de los componentes estructurales.

En la figura 3 está representado un monocasco 10 de fuselaje de avión conocido a partir del estado de la técnica. En la sección mostrada se pueden ver los largueros 12 colocados sobre un panel 11 de revestimiento. Los largueros 12 se pueden remachar o pegar. Antes del proceso de pegado, todas las piezas individuales se tienen que someter a un tratamiento previo especial de pegado. Se desengrasan, limpian, decapan, anodizan en ácido crómico y a continuación se impriman. El pegado y el endurecimiento se realizan en un autoclave a temperatura y por un tiempo determinado. Después hay que limpiar los elementos y eliminar el pegamento sobrante. Asimismo, las juntas de pegado se deben proteger contra la corrosión, lo que se realiza mediante un cordón de medio de obturación que recibe además otra capa de protección contra medios agresivos.

Para el proceso de remachado también es necesario realizar una preparación muy costosa del componente con el fin de proteger la superficie. La chapa 11 de revestimiento y los largueros 12 se tienen que anodizar, imprimar, limpiar con un activador en las superficies de unión y proveer de medios de hermetización. Sólo después se puede ejecutar el verdadero proceso de remachado. Los remaches están indicados, a modo de ejemplo, con la referencia 15. Después de crearse la unión entre el recubrimiento del fuselaje y los largueros, se remachan elementos angulares, los llamados clips 13, a los largueros 12 y al panel 11 de revestimiento. En estos procesos de remachado también se deben poner en práctica las costosas medidas de preparación ya mencionadas. En un paso posterior de montaje se introducen cuadernas en el monocasco 10 de fuselaje. Se muestra una cuaderna 14 que se remacha a los elementos angulares 13, siendo necesarias, asimismo, las costosas medidas de preparación y la introducción de medios de obturación al menos en zonas determinadas del monocasco inferior de fuselaje.

Claims (9)

1. Componente estructural (1), especialmente para un avión, que está compuesto al menos de una chapa (2) de revestimiento y que presenta elementos (3, 4) de refuerzo que están configurados en dirección longitudinal como largueros (3) y en dirección transversal, como elementos (4) de arriostramiento y que forman con la chapa (2) de revestimiento un componente unificado que se fabrica mediante un procedimiento de arranque de virutas a partir de una pieza semiacabada, caracterizado porque los elementos (4) de arriostramiento forman soportes (5, 6) de nervios que presentan distintas alturas de nervio en dependencia de la carga, así como forman nervios (7) de cuaderna que, en cada caso, se unen a la chapa (2) de revestimiento por una parte inferior del nervio con una sección transversal de transición, siendo mayor la superficie superior de revestimiento del nervio (7) de cuaderna, como superficie (7A) de conexión para un elemento (8) de cuaderna, que la superficie de la sección transversal de transición y estando dispuesto un elemento (8) de cuaderna en la superficie (7A) de conexión para completar una cuaderna.

2. Componente estructural según la reivindicación 1, caracterizado porque la chapa (2) de revestimiento presenta engrosamientos (9A) y/o rebajamientos (9B).

3. Componente estructural según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque los largueros (3) están configurados en forma de nervadura.

4. Procedimiento para la fabricación de un componente estructural (1), en el que a partir de una pieza semiacabada, conformada como plancha, y en correspondencia con las especificaciones de proyecto del componente estructural (1), se fabrica mediante arranque de virutas una chapa (2) de revestimiento con elementos (3, 4) de refuerzo que discurren en dirección longitudinal y transversal, caracterizado porque se usa el fresado a alta velocidad como procedimiento de arranque de virutas, porque durante el proceso de arranque de virutas los elementos (3, 4) de refuerzo, que discurren longitudinalmente, forman largueros (3) y porque transversalmente a la dirección de los largueros se conforman soportes (5, 6) de nervios y/o nervios (7) de cuaderna, solicitándose de forma numérica la geometría del componente para el control del proceso de arranque de virutas, permitiéndose mediante escalonamientos del grosor y la altura una adaptación individual de los elementos (3, 4) de refuerzo al componente con optimización de la carga y fresándose, además, la forma geométrica del nervio (7) de cuaderna, así como siendo la superficie de la sección transversal de transición entre la parte inferior del nervio y la chapa (2) de revestimiento menor que la superficie superior de revestimiento como superficie (7A) de conexión en un elemento (8) de cuaderna y añadiéndose en otro paso de fabricación un elemento (8) de cuaderna a la superficie (7A) de revestimiento del nervio (7) de cuaderna.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque el mecanizado a alta velocidad se realiza con una fresadora para grandes superficies y porque el proceso de arranque de virutas se controla mediante un control numérico.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque se crean engrosamientos (9A) o rebajamientos (9B) en el panel (2) de revestimiento durante el proceso de fresado.

7. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque el elemento (8) de cuaderna se une a los nervios (7) de cuaderna mediante soldadura con rayo láser.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 ó 7, caracterizado porque el elemento (8) de cuaderna se fabrica mediante el procedimiento de extrusión.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 ó 7, caracterizado porque el elemento (8) de cuaderna se fabrica a partir de una plancha completa en un proceso de arranque de virutas.