Un método para el taladro de aluminio que facilita la unión por remaches de los componentes aeronáuticos

Abstract

Aumentar la productividad de los procesos de montaje por remaches es una necesidad de la industria aeronáutica, y el One Way Assembly (OWA) es una respuesta a esa necesidad. El OWA consiste en taladrar los componentes estructurales en su posición de montaje final, para colocar seguidamente el remache, eliminando las etapas de separación de los componentes estructurales para proceder a limpiar de virutas las intercaras, eliminar rebabas y verificar la calidad del agujero. Para satisfacer los requerimientos de productividad, es necesario que en el OWA, el mecanizado de los agujeros destinados a alojar los remaches se realice en régimen de alta velocidad. Además los agujeros se mecanizarán en ausencia de fluidos de corte para evitar su posterior limpieza. Para garantizar resultados en precisión de forma y calidad superficial del agujero, hay que controlar los eventos no deseados del proceso, que pudieran poner en riesgo la calidad de los agujeros, como son la posible formación de rebabas y el desgaste de la herramienta. Las estructuras aeronáuticas pueden estar compuestas por componentes del mismo material o de materiales disimilares, configurando lo que se conoce como stacks, que pueden tener distintas combinaciones de materiales: aluminio, titanio y materiales plásticos reforzados con fibras. Además las piezas se disponen en distintas configuraciones geométricas por lo que los agujeros se hacen sobre estructuras apoyadas en complejos utillajes, en los cuales las características de rigidez varían de un agujero a otro. En esta tesis, para facilitar la implementación de técnicas OWA en stacks constituidos por aluminio-aluminio, propongo un método de trabajo que aumenta la fiabilidad del proceso y que aborda todos los aspectos implicados en el OWA. Este método consiste en definir un procedimiento para conseguir una optimización del proceso de producción de agujeros en seco, garantizando el mecanizado de un número suficiente de agujeros con la misma broca o herramienta. El método contempla la selección de la herramienta, de los recubrimientos de herramienta y de los parámetros de corte. Se aborda también, la monitorización y control de la formación de las rebabas, cuya presencia obligaría a su eliminación antes de insertar el remache; así como el control del desgate que sufre la herramienta y su efecto en la calidad de los agujeros mecanizados. Como herramienta de análisis y que ha dado claves para la optimización del taladrado en seco se ha utilizado un software de modelización por elementos finitos que reproduce el proceso viscoplástico a alta velocidad que es en sí mismo el proceso de mecanizado (TH Advantedge), que ha apoyado el diseño y ha permitido interpretar resultados de un amplio programa de experimentos. Además se ha realizado un modelo mecanístico de taladrado para un tipo de broca de geometría muy singular, muy empleada en esta aplicación. Este modelo mecanístico es fácilmente generalizable a otro tipo de brocas. La implementación de técnicas OWA se ve favorecida por la monitorización del proceso de taladrado, en especial la monitorización de la formación de rebabas, ya que permite reducir las tareas de inspección y limpieza, sólo a aquellos agujeros en los que el sistema de monitorización ha detectado riesgo de formación de rebaba. Se ha perseguido una monitorización de tipo sensorless para evitar tener que colocar sensores externos en las máquinas de remachado o en las estructuras aeronáuticas. La tecnología de monitorización sensorless contribuye a facilitar su uso generalizado a nivel industrial. La monitorización está basada en interpretar las señales internas de la máquina, en concreto la intensidad del motor principal adquirida desde el driver del mismo de forma barata, fácilmente industrializable, y con la frecuencia de muestreo requerida. Para su interpretación se han utilizado distintos algoritmos. Asunto de especial mención es el progresivo desgaste de la broca y su efecto en la calidad de los agujeros. El interés no es tanto controlar el desgaste de la herramienta, sino tener control sobre el efecto de dicho desgate en la calidad del agujero. Se ha buscado una relación entre las pérdidas de calidad del agujero y el desgaste de las brocas una vez más a través de las señales internas de las máquinas. La metodología aquí planteada se ha visto validada por múltiples experimentos de taladrado de aleaciones de aluminio, ya que se persigue el desarrollo OWA para su aplicación en stacks metálicos de aluminio-aluminio, que en la práctica real y debido a la aplicación de fuerzas de apriete se comportan como cuasi un único material. La aplicación OWA tienen grado de desarrollo mayor en stacks constituidos de fibra de carbono, y ya existen referencias de aplicación exitosa de OWA en stacks de fibra de carbono en la industria aeronáutica nacional. El trabajo aquí presentado está en parte siendo aplicado en procesos de desarrollo en Airbus, lo que ha permitido incluir en este trabajo consideraciones de facilidad de operación, costos o factibilidad que no son observables en laboratorio.