Introducción a la tornillería aeronautica

Nuestros aviones son el resultado de la combinación de varios elementos que por si mismos no pueden volar pero que una vez debidamente ensamblados se convierten en algo mayor capaz de hacer lo que los elementos por separado no pueden, una versión de ingeniería de “la unión hace la fuerza”. Necesitan alas para generar sustentación, necesitan un fuselaje para acomodar al piloto y pasajeros, necesitan un tren de aterrizaje para poder despegar y aterrizar, un motor que genere el empuje necesario para vencer la resistencia al avance y unos empenajes y superficies de control para poder mantener la estabilidad y poder maniobrar. Todos estos elementos deben ser unidos entre si de una forma determinada para poder volar con seguridad.  Tornillos, tuercas, arandelas, pasadores y un sinfín más de componentes son los que permiten unir todos los elementos individuales para formar un avión completo. En este artículo hablaremos de algunos de estos componentes fundamentales. Inevitablemente dejaremos cosas en el tintero, sobre tornillería se podrían escribir (de hecho se han escrito) volúmenes enteros.

Obviamente la tornillería no es algo exclusivo de la aeronáutica, todo debe ser ensamblado, desde un mueble de cocina hasta un automóvil pero la tornillería aeronáutica necesita de un grado de resistencia y fiabilidad superior. El fallo de un tornillo en un mueble de cocina es una molestia pero el fallo de un tornillo en un avión puede ser una catástrofe. Es por eso que los requerimientos para la tornillería que usamos en nuestros aviones deben ser superiores a los de la tornillería general. Para garantizar unos mínimos de calidad se han desarrollado a lo largo del tiempo unos estándares que incluyen especificaciones sobre las dimensiones, las tolerancias, la resistencia tanto a tensión como a cizalladura, los acabados superficiales, materiales, procesos de fabricación y sistema de identificación. Los estándares más importantes son:

AN (Air Force-Navy)

MS (Military Standard)

NAS (National Aerospace Standard)

De estos tres el más común en aviación deportiva es el primero, es el más antiguo. La tornillería AN es fácil de encontrar, suficientemente resistente y relativamente económica, asumiendo, por supuesto, que cualquier producto que lleve asociada la etiqueta aeronáutico es más caro que si no la lleva. Todos los vendedores de material aeronáutico incluyen tornillería AN en sus catálogos pero no todos incluyen tornillería MS o NAS. Por ello en este artículo nos centraremos básicamente en la tornillería AN. Como todos estos estándares han sido desarrollados en Estados Unidos, las dimensiones no son métricas. La medidas se dan en pulgadas y fracciones de pulgada y la resistencias en PSI (Pounds per Square Inch). Una pulgada son 25.4 mm y una libra son 454 gramos. Aunque inicialmente pueda parecer engorroso trabajar con estas unidades, con el tiempo y la costumbre se hace fácil.

Algunos fabricantes de aviones europeos no utilizan tornillería AN sino tornillería métrica con las mismas características. Otros en cambio usan normalmente tornillería métrica pero a veces en determinadas zonas usan tornillería AN, MS o NAS. Tecnam, por ejemplo, es uno de estos fabricantes, a medida que aumenta el peso o el nivel de certificación del avión, aumenta el número de componentes AN, MS o NAS en zonas especialmente criticas como anclaje de alas, tren de aterrizaje o bancada de motor. Incluso Airbus utiliza este tipo de tornillería en sus aviones.

Tornillos AN

Tornillos estándar AN3-AN20

La tornillería general que encontramos en las ferreterías normalmente se fabrica a partir de acero dulce, un tipo de acero con muy poco contenido de carbono. La resistencia en tensión es relativamente baja, entre 50000 y 60000 PSI,  los tornillos son relativamente fáciles de doblar y es muy fácil que desarrollen corrosión con el tiempo. 

En cambio los tornillos que cumplen con la especificación AN se pueden fabricar de tres materiales:

 - A partir de una aleación de acero, níquel y otros metales, bañada en cadmio lo que les da su característico aspecto dorado y los protege de la corrosión. La aleación más usada es AISI 8740.

 - Acero resistente a la corrosión.

 - Aleación de aluminio. La aleación usada normalmente es AISI 2024-T4.

Además tienen un tratamiento térmico que eleva su resistencia en tensión como mínimo a los 125000 PSI, el doble que los tornillos normales. Los tornillos de aluminio solo llegan a 65000 PSI a cambio de una considerable disminución de peso.

Todos los tornillos AN tienen algún tipo de marca en la cabeza para poder identificarlos, podemos ver las más comunes a continuación.

Si un tornillo no tiene ninguna marca en la cabeza, no es un tornillo aeronáutico y no debemos utilizarlo. Las marcas más normales que veremos en aviación deportiva son una cruz o un asterisco aunque también podemos encontrarnos una ralla simple que indica que se trata de un tornillo fabricado de acero resistente a la corrosión (estos tornillos no son dorados), una ralla doble que indica que se trata de un tornillo de aluminio, o un triangulo que indica que es un tornillo de baja tolerancia cuyas dimensiones tienen un margen de error inferior respecto a lo que dicta la norma. Evidentemente tenemos que ser cuidadosos y no usar un tornillo de aluminio donde debe ir uno de acero o  usar un tornillo normal donde debe ir uno de baja tolerancia.

Los tornillos AN  de uso estructural general más comunes tienen cabeza hexagonal y rosca solamente en el extremo de la caña. La rosca es de clase 3NF, es decir rosca de ajuste medio (3) y de paso NF ( American National Fine). Son válidos para esfuerzos en tensión y en cizalladura.

Todas las referencias de tornillos AN responden al mismo esquema, letras y números, un guión y más letras y números. Siempre comienzan por las letras AN, a continuación viene un número que indica el diámetro del tornillo expresado en 1/16 de pulgada. Un tornillo AN3 tiene un diámetro de 3/16 de pulgada, un AN4 de 4/16 (o lo que es lo mismo 1/4) y así sucesivamente. Si el tornillo está fabricado en acero resistente a la corrosión sigue la letra C y si está fabricado en aluminio las letras DD. A continuación puede aparecer la letra H que indica que el tornillo en cuestión tiene la cabeza taladrada para bloquearlo con alambre de seguridad. Un guión y después un número de uno o dos dígitos, este número indica la longitud del tornillo desde la base de la cabeza hasta la punta. Si la longitud es igual o inferior a 7/8 de pulgada el número tiene solo un dígito, si es mayor tiene dos dígitos. Por ejemplo, el número 6 indica que el tornillo tiene una longitud de 6/8 de pulgada. En el caso de dos dígitos, el primero indica el número de pulgadas y el segundo el número de octavos de pulgada. El número 13 indica una longitud de 1 pulgada y 3/8, el 25 dos pulgadas y 5/8 y así sucesivamente. Por último puede aparecer la letra A, si aparece significa que el tornillo no tiene agujero para pasador y si no aparece el tornillo si tiene agujero en la rosca para el pasador de seguridad. Veamos algunos ejemplos:

AN3-15A Tornillo de aleación acero-níquel cadmiado, 3/16” de diámetro, 1 pulgada y 5/8 de longitud sin agujero en la cabeza y sin agujero en la rosca.

AN3H-7A Tornillo de aleación acero-níquel cadmiado, 3/16” de diámetro, 7/8” de longitud con agujero en la cabeza y sin agujero en la rosca.

AN4C-12 Tornillo de acero resistente a la corrosión sin cadmiar, 1/4” de diámetro, 1 pulgada y 1/4 ( 2/8=1/4) de longitud sin agujero en la cabeza y con agujero en la rosca.

AN3DDH-13 Tornillo de aluminio, 3/16” de diámetro, 1 pulgada y 3/8 de longitud con agujero en la cabeza y en la rosca.

AN20-34A Tornillo de aleación acero-níquel cadmiado, 1 pulgada  y 1/4 de diámetro, 3 pulgadas y 1/2 (4/8=1/2) de longitud sin agujero en la cabeza y sin agujero en la rosca. Como aclaración, 20/16 de pulgada son 16/16 + 4/16, es decir, 1 pulgada (16/16) + 1/4 (si dividimos por 4 numerador y denominador el resultado final no cambia. 4/16 = 1/4).

En la práctica de la vida real nunca he visto en aviación ligera y ultraligera un tornillo mayor de AN8 y pocas veces he trabajado con nada mayor que AN6.

Tornillos de baja tolerancia AN173-AN186

Como vimos antes, este tipo de tornillos están marcados con un triángulo en la cabeza. Se utilizan en zonas sujetas a grandes esfuerzos en las que no es aceptable una gran holgura. Normalmente los tornillos se pueden deslizar a mano en el agujero pero en los tornillos de baja tolerancia hace falta emplear una maza (he dicho maza, no martillo ni mallo), además es necesario engrasar la caña sin roscar para facilitar la instalación y para proteger de la corrosión.

El sistema de identificación es similar al de los tornillos de uso general. Comienza por AN seguido de un número de tres dígitos, el primero siempre es 1, los dos últimos dígitos indica el diámetro en 1/16 de pulgada. Por ejemplo un tornillo cuya referencia comienza por AN176 tiene 6/16” (3/8) de diámetro, un tornillo AN179 9/16”, un tornillo AN180 10/16” (5/8) y un tornillo AN182 tiene 12/16 (3/4) de diámetro. El número que sigue al guión indica la longitud en octavos de pulgada. Las letras H y A tienen el mismo significado que en los tornillos de uso general. Veamos algunos ejemplos:

AN173H-4A Tornillo de baja tolerancia, 3/16” de diámetro, 4/8 (1/2) de longitud, con agujero en la cabeza para alambre de seguridad y sin agujero en la rosca.

AN184-12  Tornillo de baja tolerancia, 14/16”  de diámetro, 1 pulgada y 1/4 de longitud, sin agujero en la cabeza y con agujero en la rosca.

AN186H-14  Tornillo de baja tolerancia, 1” de diámetro, 1 pulgada y 1/2 de longitud con agujero en la cabeza y en la rosca.

Tuercas AN

Las tuercas AN responden también a los mismos estándares de calidad que la tornillería, no tendría sentido usar una mala tuerca con un buen tornillo o viceversa. Además de cumplir con los mínimos de la norma (material, procesos de fabricación, resistencia o acabados) deben tener algún mecanismo que impida que se aflojen con las vibraciones. Los posibles mecanismos de bloqueo que encontramos son:

- Arandela de bloqueo. No es muy común su empleo ya que además de esta arandela, hace falta una arandela normal y el tornillo debe ser un poco más largo lo que añade peso. 

 -Tuerca autoblocante. Aquí hay dos posibilidades, la primera es que la tuerca tenga un collar interior elástico cuyo diámetro interior es más pequeño que el del tornillo, la presión del collar elástico sobre las roscas es lo que hace que la tuerca no se pueda aflojar. La segunda opción es que la tuerca se fabrique con una pequeña distorsión que cree suficiente fricción sobre las roscas para impedir que se afloje.

 -Tuercas almenadas y pasadores. Este tipo de tuercas se usan exclusivamente en tornillos con agujero en la rosca tienen unas ranuras a modo de almenas que han de alinearse con el agujero de la rosca para poder instalar un pasador que impida que la tuerca gire. 

Las tuercas dependiendo de su diseño pueden ser usadas en tensión o en cizalladura, las que pueden trabajar solo en cizalladura tienen menos cantidad de rosca que las que pueden trabajar en tensión. Es muy importante no usar tuercas de cizalladura en zonas que requieren tuercas de tensión, al revés no hay problema ya que el número de hileras de rosca de una tuerca de tensión es superior.

Tuercas autoblocantes AN364 y AN365

Son tuercas autoblocantes con collar elástico interior de Nylon de color rojo o verde. A diferencia de los tornillos no tienen ninguna marca exterior. Las tuercas AN364 se usan para trabajar en cizalladura exclusivamente. Las AN365 pueden trabajar en tensión o en cizalladura aunque es mejor usar una AN364 para la cizalladura ya que son más ligeras al tener menos roscas. 

El sistema de numeración es siempre el mismo, AN364- o AN365- y un número seguido de la letra A, el número indica el tipo de rosca de la tuerca. Igual que en los tornillos una letra C indica que la tuerca está fabricada de acero resistente a la corrosión.

AN364-1032A  tuerca de cizalladura para tornillos AN3.

AN364-428A    tuerca de cizalladura para tornillos AN4.

AN364-524A    tuerca de cizalladura para tornillos AN5.

AN364-624A    tuerca de cizalladura para tornillos AN6.

AN364-720A    tuerca de cizalladura para tornillos AN7.

AN364-820A    tuerca de cizalladura para tornillos AN8.

AN364-918A    tuerca de cizalladura para tornillos AN9.

Si sustituimos AN364 por AN365 las referencias harían mención a tuercas de tensión.

Las tuercas autoblocantes se instalan a mano hasta la zona del collar de Nylon, después se continua apretando con herramientas. Estas tuercas se pueden reutilizar varias veces. Mientras no se pueda instalar la tuerca completa a mano (incluida la zona del collar de Nylon) es posible reutilizarla aunque mi recomendación personal es que no se utilicen mas de 3 o 4 veces.  

Debido al collar elástico interior estas tuercas no se deben usar en zonas de alta temperatura, por encima de 250ºF  (121ºC) el plástico interior se derrite y la tuerca se puede aflojar. Es aconsejable no utilizarlas en el compartimento motor.

Tuercas autoblocantes AN363

Son tuercas autoblocantes sin inserción de Nylon, esto hace que se puedan instalar en zonas más calientes que las AN364 o AN365. Aguantan hasta 450ºF (230ºC) por tanto son las tuercas que hemos de usar en el compartimento motor. Solo se fabrican las que pueden trabajar en tensión y cizalladura aunque hay un equivalente en el standard MS con menos roscas pero que aguanta exactamente el mismo esfuerzo que las AN363.

La nomenclatura comienza por AN363, un guión y un número que indica el tipo de rosca. Como siempre, la letra C indica que están fabricadas de acero resistente a la corrosión. A diferencia de las tuercas AN364 y AN365, no se usa la letra A al final. 

AN363-524  tuerca autoblocante de alta temperatura para tornillo AN5.

AN363C-524  tuerca autoblocante de alta temperatura para tornillo AN5 fabricada en acero resistente a la corrosión.

Tuercas almenadas AN310 y AN320

Son tuercas con ranuras en forma de almena que deben utilizarse exclusivamente en tornillos con agujero en la rosca y pasador de seguridad. No tienen límite de temperatura de trabajo. Para instalar el pasador de seguridad es preciso alinear la almena con el agujero en la rosca y eso a veces es complicado teniendo en cuenta que las tuercas deben ser apretadas con un par determinado, ni más ni menos. Para hacer que sea más fácil, veremos que hay arandelas de distinto grueso.

Se fabrican tanto en acero-níquel con baño de cadmio como en acero resistente a la corrosión. Las tuercas con referencia AN310 pueden trabajar tanto en tensión como en cizalladura (como las AN365) pero las de referencia AN320 solo pueden trabajar en cizalladura (como las AN364). Una tuerca AN310 puede sustituir a una AN320 pero al revés no.

AN310-3  tuerca almenada de tensión para tornillos AN3.

AN310-4  tuerca almenada de tensión para tornillos AN4.

AN310-5  tuerca almenada de tensión para tornillos AN5.

Y así sucesivamente. Si sustituimos AN310 por AN320 las referencias harían mención a tuercas de cizalladura.

Tuercas planas A315 y AN316

Estas tuercas no son autoblocantes ni tienen almenas para poder asegurarlas, el bloqueo se hace mediante arandelas de bloqueo aunque su uso no es muy común por las razones que vimos anteriormente. Por lo general este tipo de tuercas se emplean como contratuerca en ajuste de mandos con rótulas empleando Loctite fijador de roscas. La serie AN316 puede soportar la mitad de esfuerzo en tensión  que la AN315.

Arandelas AN960 y AN970

Se utilizan para repartir sobre una mayor superficie el esfuerzo en compresión resultante de apretar tuercas y tornillos, asimismo protegen el material de posibles marcas y daños causados por las herramientas mientras se gira la tuerca o el tornillo.Por último permiten ajustar el tornillo al espesor del material que están atornillando ya que la longitud de los tornillos varia siempre en octavos de pulgada.

Se fabrican en aleación de acero-níquel con baño de cadmio o en aluminio anodizado, en este caso incorporan las letras PD en la referencia.

El espesor estándar de las arandelas es de 1/16 de pulgada aunque para facilitar los ajustes, especialmente con las tuercas almenadas se fabrican otras de menos espesor que llevan la letra L en la referencia.

Las arandelas más comunes son las de la serie AN960 y AN970, estas últimas solo se fabrican en acero-níquel con baño de cadmio, tienen una mayor superficie, y se emplean sobre todo con materiales blandos como madera para repartir el esfuerzo sobre una superficie aún mayor. Veamos algunos ejemplos de arandelas:

AN960-10    arandela con baño de cadmio para tornillos AN3.

AN960-10L  arandela con baño de cadmio extrafina para tornillos AN3.

AN960PD-416L  arandela de aluminio anodizado extrafina para tornillos AN4.

AN960-516  arandela con baño de cadmio para tornillos AN5.

AN960-816  arandela con baño de cadmio para tornillos AN8.

AN970-3  arandela extragrande para tornillos AN3.

AN970-4  arandela extragrande para tornillos AN4.

Hasta aquí nuestra introducción, necesariamente superficial dado lo extenso del tema, a algunos de los componentes fundamentales de nuestros aviones, para finalizar veremos de forma gráfica algunas prácticas recomendables a la hora de trabajar con la tornillería AN.Y recordar también que con tornillería AN no usaremos llaves métricas. Un tornillo AN3 necesita una llave de 3/8", un AN4  de 7/16", un AN5 de 1/2", un AN6 de 9/16", un AN7 de 5/8" y un AN8 de 3/4". Si usamos llaves o vasos métricos acabaremos dañando las aristas del tornillo o la tuerca y eliminando el baño de cadmio lo que facilita la corrosión.