El análisis del campo de temperatura mediante simulación por elementos finitos permite observar con precisión la evolución térmica de los materiales sometidos a irradiación láser. A medida que la fuente de calor láser se desplaza sobre la superficie del material y aumenta el tiempo de exposición, la energía absorbida se intensifica de forma progresiva. Esta energía se transfiere por conducción hacia las zonas más profundas, elevando la temperatura en la base de la pieza. Las temperaturas simuladas mediante el modelo numérico presentan una correlación positiva con los datos experimentales obtenidos por termometría infrarroja, con una diferencia máxima registrada de tan solo 11.82 °C. Este pequeño margen de discrepancia confirma la fiabilidad del modelo térmico empleado.

Entre los distintos parámetros que controlan la interacción láser-material, la potencia del láser representa la variable de mayor impacto. La energía aportada por la fuente térmica aumenta proporcionalmente con la potencia, generando un ascenso significativo en la temperatura de la zona afectada. Por ejemplo, en aleaciones como Ti–6Al–4V, una potencia de 1000 W supera ampliamente su punto de fusión (1660 °C), alcanzando temperaturas de hasta 2400 °C, lo que provoca una fusión parcial del material. Este fenómeno se visualiza en las simulaciones como áreas blancas. En potencias inferiores, como 500 o 300 W, no se observa fusión, lo que indica un régimen térmico subcrítico.

De modo análogo, en aleaciones como Inconel 718, el incremento de la potencia láser hasta 1000 W eleva la temperatura superficial por encima de los 1700 °C, excediendo también su punto de fusión (1300 °C), con las correspondientes zonas fundidas identificadas en el análisis térmico. A la luz de estos resultados, es recomendable no superar este umbral de potencia al aplicar técnicas de corte asistido por láser en estos materiales, para evitar la degradación estructural de las piezas.

La velocidad de escaneo del láser, por otro lado, regula el tiempo de permanencia de la fuente térmica sobre un punto del material, condicionando así la distribución espacial del calor. Simulaciones con velocidades de 40, 60 y 80 m/min (manteniendo constantes la potencia y el diámetro del spot) muestran que un aumento en la velocidad reduce la temperatura alcanzada en la zona tratada. Sin embargo, esta influencia es moderada en comparación con la de la potencia y se diluye en las zonas alejadas del punto de incidencia directa del láser. Por tanto, para mejorar la eficiencia del procesado sin comprometer el régimen térmico deseado, es aconsejable incrementar la velocidad de escaneo dentro de los márgenes permitidos por la aplicación.

El diámetro del spot láser, que define la distribución espacial de la energía según un perfil gaussiano, también desempeña un papel esencial. A mayor diámetro, menor es la temperatura alcanzada en la zona central irradiada, ya que la energía se dispersa sobre una superficie mayor. En materiales como Ti–6Al–4V, se observa que un aumento en el diámetro del haz reduce la temperatura máxima pero amplía la región de altas temperaturas en la dirección transversal al movimiento del láser. Este ensanchamiento térmico es decisivo al determinar el ancho de corte efectivo en procesos de seccionamiento térmico. Por ello, la selección del diámetro del spot debe armonizarse con el espesor de la herramienta o del corte deseado, buscando asegurar una temperatura uniforme a lo largo de toda la sección tratada.

En el caso del Inconel 718, el comportamiento térmico frente al cambio de diámetro del haz refleja patrones similares: la temperatura disminuye con diámetros mayores, y se requiere un incremento proporcional de la potencia para lograr efectos térmicos comparables. Así, la relación entre el diámetro del spot y la potencia láser es crítica para alcanzar condiciones de ablandamiento o fusión local según lo requiera el proceso.

El conocimiento detallado de la evolución térmica en función de estos parámetros permite ajustar fi

¿Cómo la tecnología de vibración ultrasónica mejora la eficiencia y calidad de los procesos de mecanizado?

La vibración ultrasónica aplicada al mecanizado es una técnica avanzada que ha ganado atención en los últimos años debido a su capacidad para mejorar significativamente la eficiencia y la calidad del mecanizado de piezas. Esta tecnología se basa en el principio de generar vibraciones de alta frecuencia y pequeña amplitud dentro de un cuerno de vibración, que transmite estas vibraciones a la pieza de trabajo a través de una forma especial del cuerno. Este proceso de transmisión de vibraciones permite que la pieza de trabajo experimente pequeños temblores que logran efectos de mecanizado finos y precisos.

Es esencial tener en cuenta varios parámetros al utilizar cuernos de vibración ultrasónica, como la frecuencia, la amplitud y otros parámetros del proceso de mecanizado. Estos factores deben ser seleccionados adecuadamente para garantizar los mejores resultados en el mecanizado y mantener la integridad de la pieza de trabajo. Además, los cuernos de vibración ultrasónica deben diseñarse y fabricarse teniendo en cuenta su durabilidad y estabilidad para soportar los exigentes requerimientos de procesos de mecanizado largos e intensivos.

El cuerno de vibración, que juega un papel fundamental en la amplificación de las ondas ultrasónicas, se clasifica en dos tipos según su estructura: cuerno simple y cuerno compuesto. Los cuernos simples se pueden dividir en varios tipos, como el cuerno en escalera, el cuerno cónico, el cuerno de índice, el cuerno de cadena colgante y el cuerno de Fourier. Por otro lado, el cuerno compuesto combina las ventajas de los cuernos simples, fusionando los cinco tipos mencionados anteriormente.

En los procesos de mecanizado por vibración ultrasónica, el cuerno está sometido principalmente a presión estática, lo que significa que el desgaste de la herramienta aumenta a medida que se avanza en el proceso, provocando que la carga en el cuerno cambie. Es por ello que el cuerno debe trabajar con alta estabilidad, rigidez y resistencia para mantener un coeficiente de amplificación constante durante todo el proceso.

El cuerno cónico es una de las opciones más comunes, ya que ofrece un buen equilibrio entre rigidez, fuerza y estabilidad de trabajo. Además, en comparación con otros tipos de cuerno, como el cuerno exponencial o el cuerno de cadena colgante, el cuerno cónico es menos complicado de procesar. Por lo tanto, en ausencia de requisitos específicos sobre el coeficiente de amplificación, el cuerno cónico suele ser la opción preferida.

El material con el que se fabrica el cuerno también juega un papel crucial en su funcionamiento. Debido a que el cuerno está expuesto a vibraciones ultrasónicas durante largos periodos, debe fabricarse con materiales que posean una cierta resistencia y tenacidad. El acero 45# es una opción común debido a su alta resistencia a la fatiga, facilidad de procesamiento y bajo costo. El diseño del cuerno debe tener en cuenta la ecuación de fluctuación de la vibración longitudinal de una barra de sección variable para garantizar la máxima eficiencia.

Un aspecto fundamental en el análisis del comportamiento del cuerno es el análisis modal, que permite comprender las características de vibración de la estructura del cuerno. Este tipo de análisis es esencial para evitar la resonancia en frecuencias particulares y para entender cómo responde la estructura ante diferentes cargas dinámicas. A través del análisis modal, es posible conocer la frecuencia natural, los modos y los parámetros relacionados con las vibraciones, lo que a su vez facilita el diseño de cuernos que no sufran fallos estructurales durante el mecanizado.

En el caso del cuerno cónico, por ejemplo, el análisis modal revela que su frecuencia de resonancia es de 35.408 kHz, lo que corresponde a un buen comportamiento de la vibración longitudinal. Los resultados también muestran que el amplificador en los extremos del cuerno tiene una amplificación de 3.42, lo que está dentro del rango de error del 1.17% respecto al valor teórico. Este tipo de análisis asegura que el cuerno cumpla con los requisitos de diseño para una operación estable y eficiente.

Otro aspecto interesante es la incorporación de estructuras adicionales, como los surcos en espiral, que pueden actuar como "convertidores de modos" para transformar la vibración longitudinal en una vibración longitudinal-torsional compuesta. Al abrir un surco en el cuerno, se modifica la resonancia, lo que afecta la trayectoria de la vibración compuesta en el extremo del cuerno. Sin embargo, este cambio también puede generar desajustes con el sistema acústico ultrasónico, como el transductor o la fuente de energía, lo que afecta la calidad del mecanizado. Es importante tener en cuenta que el cambio en la resonancia puede modificar la frecuencia de operación, lo que implica una correcta calibración del sistema.

En cuanto al análisis de fuerzas de corte en procesos asistidos por vibración ultrasónica, este tipo de mecanizado tiene la capacidad de modificar el mecanismo de eliminación de material, lo que genera una variabilidad en la fuerza de corte que debe modelarse adecuadamente. El sistema experimental utilizado en este tipo de pruebas incorpora una plataforma de movimiento de tres ejes y un sistema de medición y adquisición, permitiendo estudiar el impacto de la vibración ultrasónica en la fuerza de corte. La vibración ultrasónica cambia la forma en que la herramienta interactúa con la pieza de trabajo, alterando el comportamiento del proceso de eliminación de material y, por ende, la distribución de la fuerza de corte.

Al realizar pruebas, se observa que la vibración ultrasónica no solo facilita la eliminación de material a menores profundidades de corte, sino que también mejora la precisión y la eficiencia del proceso, especialmente en aplicaciones de mecanizado de precisión a microescala. El modelo de fuerzas de corte resultante de estos experimentos es crucial para comprender cómo el proceso de vibración ultrasónica puede optimizar la eliminación de material sin comprometer la integridad de la pieza.

Es esencial, entonces, comprender que la tecnología de vibración ultrasónica no solo es una herramienta para mejorar la precisión y eficiencia del mecanizado, sino también una metodología compleja que involucra una cuidadosa selección de parámetros de trabajo, análisis modal y una adecuada integración con sistemas acústicos.

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