Procedimiento de fabricación de una pieza metálica mecanizada,

que comprende a) la fabricación de una chapa metálica de aleación, con tratamiento térmico, por medio de un procedimiento que comprende a1) la colada de una placa de laminado, eventualmente seguida de una homogeneización, a2) una o varias operaciones de laminado en caliente o en frío, eventualmente separadas por una o varias operaciones de calentamiento, para obtener una chapa, a3) eventualmente una o varias operaciones de corte o acabado de la chapa, b) el premecanizado de la correspondiente chapa en una o las dos caras para obtener una pieza en bruto premecanizada, c) un tratamiento de disolución correspondiente pieza en bruto premecanizada, d) un tratamiento de temple

Procedimiento de fabricación de elementos de estructura por mecanizado de chapas gruesas.

Ámbito técnico de la invención

La presente invención se refiere a la fabricación de elementos de estructura, de aleación con tratamiento térmico, en particular de aleación de aluminio, por mecanizado de chapas gruesas. Estos elementos de estructura se pueden utilizar para la construcción aeronáutica.

Estado de la técnica

Actualmente, para obtener elementos de estructura de aviones caracterizados por una excelente resistencia mecánica, se utilizan principalmente dos técnicas diferentes:

según una primera técnica, se utilizan chapas con un espesor típicamente incluido entre los 10 mm y los 40 mm (en este caso llamadas "chapas medias") que se encuentran en el estado metalúrgico que corresponde a la utilización final del elemento estructural, y que se refuerzan fijando por ejemplo por remachado contrafuertes constituidos por perfiles extrusionados, por ejemplo perfiles de sección en "T".

Según una segunda técnica, los contrafuertes se mecanizan directamente en una chapa de mayor espesor, típicamente entre los 30 mm y los 200 mm, que también se encuentra en un estado metalúrgico que corresponde a la utilización final del elemento estructural.

La realización de un elemento de estructura por ensamblaje de chapas medias y de perfiles necesita un número muy importante de operaciones de remachado que, efectuadas en las condiciones de fiabilidad necesarias para un elemento estructural aeronáutico, representan un coste importante. Por cierto, la realización de un elemento estructural integrado por mecanizado de una chapa gruesa gasta mucho más metal, porque una importante fracción de la chapa gruesa acaba en virutas, pero en contrapartida, permite reducir al mínimo las operaciones de remachado que cuestan caro.

La disponibilidad de técnicas de mecanizado a gran velocidad (high speed machining), del orden de las 5 000 a las 15 000 revoluciones por minuto, modifica sensiblemente los datos económicos en cuanto a la elección del modo de diseño, la duración de la operación de mecanizado resultando muy reducida, lo que permite prever al mismo tiempo el mecanizado de formas siempre más complejas en condiciones económicamente accesibles. Esto es verdad a la vez para piezas de un tamaño del orden del metro y para piezas de muy gran tamaño que pueden alcanzar más de los 20 m de largo y más de los 3 m de ancho.

Sin embargo, la segunda técnica presenta otros inconvenientes. Antes del mecanizado, la chapa gruesa se encuentra en el estado metalúrgico que corresponde a su utilización final, porque según el estado de la técnica, no se efectúa ningún tratamiento termomecánico después de un mecanizado. Más particularmente, este estado metalúrgico final se obtuvo por disolución y temple. Ahora bien, dos mecanismos físicos limitan la velocidad de temple en una chapa gruesa: la conductividad térmica del material que constituye la correspondiente chapa gruesa y el intercambio térmico entre la superficie de la chapa y el medio de temple.

Resulta que las propiedades mecánicas de la chapa gruesa templada varían de acuerdo con el espesor. Así, al alejarse de la superficie de la chapa, algunas características mecánicas resultan menos elevadas. Según el estado de la técnica, el mecanizado elimina pues las zonas en las que la chapa templada muestra las mejores características mecánicas, y con la solicitación del elemento estructural en las condiciones de servicio aparecen zonas de metal cuyas propiedades mecánicas pueden ser bastante variables según la profundidad con respecto a la zona cercana a la superficie inicial de la chapa. El cálculo de las estructuras, por modelos bastante reales de la correspondientes mecánicas de las precaución, se efectúa en base a conservadores de las prestaciones pieza, basándose típicamente los modelos en zonas de la las chapa características alejadas de la superficie y que presentan pues las características mecánicas más bajas. Al dimensionar las piezas, esto impide sacar el mayor provecho de las reales propiedades del material. Otro inconveniente de este procedimiento según el estado de la técnica radica en el hecho de que las chapas gruesas templadas, incluso después de una tracción controlada, pueden contener tensiones residuales que provocan una deformación de las piezas durante el mecanizado.

Según una tercera técnica, se fabrican elementos estructurales con contrafuertes integrados directamente por extrusión. Esta técnica presenta varios 4 inconvenientes y no suele utilizarse mucho. Para obtener perfiles con una anchura lo suficientemente importante, hace falta utilizar prensas de extrusión muy potentes cuyo coste de explotación es muy elevado. La anchura máxima que se puede alcanzar así sigue siendo muy inferior a la anchura de una chapa laminada habitual. Por otra parte, algunas aleaciones se prestan mal a la extrusión. Y por último, la microestructura de una pieza extrusionada, y más particularmente de un perfil extrusionado, no es homogénea, ni en la sección del perfil ni en la longitud del perfil.

Se propusieron diversos medios para controlar las distorsiones del producto o sus propiedades mecánicas.

Varias patentes procuran optimizar el procedimiento de temple con el fin de minimizar las deformaciones de los productos metalúrgicos producidas por el temple. Estos procedimientos suelen tratar de compensar la deformación por medio de una refrigeración no homogénea durante el temple.

La patente alemana DE 955 042 (Friedrichshütte Aktiengesellschaft) describe un procedimiento de temple horizontal en el que los bordes de la chapa se refrigeran más que el centro, y la cara inferior más que la cara superior.

La patente EP 578 607 procura optimizar el procedimiento de temple de perfiles extrusionados por medio de un control individual o agrupado de las boquillas de pulverización de agua; en principio, tal dispositivo, controlado por ordenador, permite adaptar las posiciones de las boquillas a cada perfil, pero la puesta a punto sigue siendo empírica. La patente EP 695 590 desarrolla una idea análoga para el temple de chapas.

La solicitud de patente WO 98/42885 (Aluminum Company of America) describe un procedimiento combinado de temple en agua y de temple al aire para disminuir la deformación de las chapas finas producida por el temple y para mejorar sus características mecánicas estáticas.

La patente francesa 1 503835 (Commissariat à l'Energie Atomique) propone aumentar la velocidad de temple durante la inmersión de la pieza en un líquido frío gracias a la aplicación de una capa fina de poca conductividad térmica que limita la vaporización del medio de temple.

La patente francesa 2 524 001 (Pechiney Rhenalu) propone aplicar en determinadas caras del producto un revestimiento que conduzca menos el calor que el metal subyacente. Gracias a este control mejorado de la velocidad de refrigeración, se podría evitar la alteración de las propiedades de uso del producto. Este procedimiento bastante pesado presenta varios inconvenientes. Se limita a las chapas o perfiles que tienen un espesor sensiblemente constante; en el caso de las aleaciones de aluminio, este espesor no tendría que superar unos 15 mm. Los revestimientos propuestos en esta patente pueden contaminar el depósito de líquido de temple.

Otras técnicas procuran disminuir la sensibilidad de las aleaciones de aluminio al temple.

Ninguno de estos procedimientos resuelve el problema de variación de las propiedades mecánicas según el espesor, vinculada a los gradientes térmicos presentes durante el temple.

Objeto de la invención

La invención tiene por objeto presentar un nuevo procedimiento de fabricación de piezas metálicas mecanizadas aptas para servir corno elementos de estructura, o de piezas en bruto para tales piezas, que permita mejorar el compromiso entre las características mecánicas estáticas (límite de elasticidad, resistencia a la tracción, alargamiento a la ruptura) y la tolerancia a los daños (en particular la tenacidad) en el volumen de la pieza y minimizar las distorsiones provocadas por el temple, y que se pueda poner por obra con un coste de explotación particularmente ventajoso.

En vez de tratar de mejorar etapas aisladas de los procedimientos de fabricación, la solicitante inventó un nuevo procedimiento integrado que permite fabricar a partir de chapas gruesas, elementos de estructura mecanizados...

1. Procedimiento de fabricación de una pieza metálica mecanizada, que comprende

a) la fabricación de una chapa metálica de aleación, con tratamiento térmico, por medio de un procedimiento que comprende

a1) la colada de una placa de laminado, eventualmente seguida de una homogeneización,

a2) una o varias operaciones de laminado en caliente o en frío, eventualmente separadas por una o varias operaciones de calentamiento, para obtener una chapa,

a3) eventualmente una o varias operaciones de corte o acabado de la chapa,

b) el premecanizado de la correspondiente chapa en una o las dos caras para obtener una pieza en bruto premecanizada,

c) un tratamiento de disolución correspondiente pieza en bruto premecanizada,

d) un tratamiento de temple.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además, después del tratamiento de temple, una o varias de las siguientes etapas:

e) tracción controlada,

f) revenido,

g) corte.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la chapa es de aleación aluminio.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la aleación de aluminio es una aleación de la serie 2xxx, 6xxx o 7xxx.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la aleación comprende entre 5,5 y 11% (másicos) de cinc (preferentemente por lo menos 8%), entre 1,5 y 3% de magnesio y entre 1,0 y 3,0 de cobre.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el perfil está constituido por uno o varios canales paralelos al sentido de laminado.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el perfil tiene una longitud sensiblemente constante.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el mecanizado se efectúa con una velocidad de por lo menos 5 000 revoluciones por minuto, y preferentemente superior a las 10 000 revoluciones por minuto.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la pieza obtenida se somete a una o varias nuevas operaciones de mecanizado o de perforación después del temple o después de la tracción controlada.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la tracción controlada se efectúa como para conducir a un alargamiento permanente incluido entre el 0,5% y los 5%.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el corte se efectúa mecánicamente por cizallado o aserrado, por haz de láser o por chorro líquido.

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el lecho de fusión está constituido por al menos 5% y preferentemente por al menos 15% de virutas de mecanizado.

13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque una longitud incluida entre los 50 mm y los 1 000 mm, y preferentemente incluida entre los 50 mm y los 500 mm al principio y al final de la chapa no comprende perfil y tiene un espesor sensiblemente constante.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque la chapa comprende entre los tacos desprovistos de canales mecanizados y la zona central que posee canales mecanizados, una zona de transición cuyo espesor decrece del taco desprovisto de canales mecanizados hacia la zona central que posee canales mecanizados.

15. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la chapa tiene una anchura superior a los 60 cm y preferentemente superior a los 120 cm.

16. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque la chapa tiene una longitud superior a los 200 cm y preferentemente superior a los 500 cm.

17. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque, antes de su mecanizado, la chapa tiene un espesor superior a los 15 mm y preferentemente superior a los 30 mm.

18. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el taco no mecanizado y la zona de transición se despuntan después de la tracción controlada.

19. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la tracción controlada se efectúa entre dos mordazas hasta un alargamiento permanente controlado de más de 0,5% y preferentemente de más de 1%, y que durante por lo menos una parte de la duración de la tracción, se mantiene un apoyo transversal en por lo menos una de las caras de la chapa.

20. Procedimiento según la reivindicación 19, caracterizado porque el alargamiento permanente es superior a los 1,5%.

21. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 19 o 20, caracterizado porque el apoyo en la cara o las caras de la chapa se realiza con uno o varios rodillos sometidos a un esfuerzo de aplicación en la chapa.

22. Procedimiento la reivindicación 21, caracterizado porque según los rodillos son móviles longitudinalmente en la cara de la chapa.

23. Pieza metálica mecanizada susceptible de obtenerse por medio del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22.

24. Pieza metálica mecanizada según la reivindicación 23, caracterizada porque la la correspondiente chapa es de aleación 7449 y muestra en el fondo de un canal mecanizado:

- un valor de K_app(L-T) de 90 MPasqrtm, incluso 10 preferentemente de 95 MPasqrtm (probeta de tipo CT con W = 75 mm en virtud de ASTM E561-98), y

- un valor de R_m(L) medido en tracción superior a los 550 MPa.

25. Utilización de una pieza metálica susceptible de obtenerse por medio del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22 como elemento de estructura para la construcción aeronáutica.

26. Utilización de una pieza metálica de aleación de aluminio susceptible de obtenerse por medio del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22 como panel de ala, elemento de fuselaje, larguero, costilla o caja central de ala.

27. Elemento de estructura de aleación de aluminio para la construcción aeronáutica susceptible de obtenerse por medio del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 22.