usinage bois à l’échelle
industrielle
Introduction
L’industrie primaire et secondaire de la transformation du bois a pu améliorer la performance de ses procédés au cours des dernières années. Cependant, la performance des couteaux, leur résistance à l’usure, les changements fréquents d’outils, les arrêts de production en pleine opération, l’affûtage et la maintenance des outils de coupe ont, dans l’ensemble, peu évolué depuis trente ans. Plusieurs travaux de recherche ont été réalisés par notre laboratoire pour atteindre cet objectif [4–6,40]. L’objectif de cette partie du manuscrit est de démontrer la possibilité d’améliorer la durée de vie des outils de coupe appelés « Canter » utilisés dans le secteur des produits du bois, grâce à l’application des dépôts optimisés lors de cette étude. Cinquante outils coupants identiques nous ont été fournis par nos collaborateurs canadiens du groupe des nanotechnologies pour le bois, au sein du Centre de Recherche sur la Forêt FPInnovations, dans le but de les revêtir au CER Arts et Métiers ParisTech de Cluny. Dès leur réception, une série de travaux de caractérisation a été réalisée afin de connaître certaines de leurs propriétés de base. Par la suite, ces outils ont été revêtus par pulvérisation dual magnétron RF de : CrN, TiN, Cr-Mo-N, Ti-W-C, Ti-W-C-N Cr-Al-N, Cr-V-N, etc.
Les outils revêtus ont été renvoyés à la scierie d’AbitibiBowater de St-Thomas-Didyme (Lac St-Jean-Les outils revêtus ont été testés à la scierie d’AbitibiBowater de St-Thomas-Didyme (Lac St-Jean-Canada) en usinage de l’épinette noire lors de la production de copeaux destinés à la fabrication de pâte à papier. Le but a été de qualifier et de comparer leurs usures respectives, et d’en déduire une éventuelle amélioration de la durée de vie grâce aux revêtements testés.
V.1. Le couteau Canter
Le couteau Canter (Mark Key Knife, Figure 121.a) est de forme pyramidale, de base carrée de 45 mm de cote et 10 mm de hauteur. L’angle de bec est de 38°. L’industriel exigeait de revêtir la face de dépouille de chaque couteau (Figure 121.a) dans le but de réduire son usure. L’outil est fixé sur une pince porte-outils conçue pour le caler mécaniquement pendant le procédé d’usinage (Figure 121.b). Ce calage mécanique permet un maintien fort et stable du couteau, ce qui augmente la longévité de sa lame. L’outil et son support sont montés sur une équarrisseuse-déchiqueteuse dans le but d’usiner des troncs d’épinette noire. L’usinage permet de produire des copeaux de 27 mm de largeur environ (Figure 121.c), dans le but de fabriquer de la pâte à papier.
Figure 121. (a) Outil Canter utilisé pour réaliser l’usinage de l’épinette noire, (b) outil Canter monté sur le porte-outils et (c) copeaux produits
Face de coupe
(a)
(b)
(c)
Face de dépouille
Copeau
Porte-outil
Couteau
Nous avons d’abord été amenés à déterminer les propriétés de base du couteau. La composition de l’acier de base des outils Canter a été déterminée par spectrométrie à étincelles (SI) et par EDS-WDS. La technique SI permet de mieux doser le Carbone. Les résultats sont résumés dans la Figure 122. Le couteau est fabriqué avec un acier à outil (A8) principalement allié avec du Chrome, du Molybdène et du Silicium. Après vérification à l’aide d’un étalon, la teneur en Carbone peut-être réajustée à 0.5 % en masse. Le couteau a été durci dans une atmosphère d'Azote dans le but d’avoir une microstructure uniforme en surface.
Figure 122. Comopsition chimique d’un couteau Canter
La Figure 123 représente une image en 3D obtenue par profilomètre optique de la face de dépouille du couteau. La surface est rugueuse et les paramètres de rugosité Ra et Rt sont
respectivement, de 430 nm et de 2 µm (valeurs prises sur un profil linéaire de 300 µm sans filtrage). Ces valeurs nous ont obligés à choisir une épaisseur de revêtements supérieure à 2 µm. Les tests par microdureté (essais Vickers normalisés) ont révélé que la dureté moyenne au niveau de l’arête de la face de dépouille est d’environ 725±28 HV0.2.
Figure 123. Image en 3D par profilométrie optique de la face de dépouille du couteau Canter
V.2. Conditions d’usinage
Les opérations d’usinage se sont réalisées au sein de l’unité de production d’AbitibiBowater, à l’aide d’une équarrisseuse-déchiqueteuse. Nous avons usiné des troncs d’épinette noire, une essence très présente sur le plan local au Québec-Canada. Huit outils sont montés simultanément sur la même ligne, chacun sur son propre porte-outil. Comme le bois est hétérogène, nous avons placé un outil non revêtu à côté d’un outil revêtu afin de pouvoir
comparer leur usure respective. Ceci explique les disparités des valeurs de l’usure des couteaux témoins (non revêtus). Les outils ont été testés pendant 32 h de production. Deux séries d’usinage ont été réalisées : la première en juin 2010 (températures douces d’environ 15 à 20 °C) et la seconde en février 2011 (en hiver, donc températures très basses de -20/-25 °C). Les conditions d’usinage pendant le mois de février 2011 à des températures de -20 °C sont qualifiées comme étant très sévères car les couteaux étaient froids, donc fragiles, et le bois à usiner gelé.
V.3. Les revêtements sur les couteaux Canter
Les revêtements ont été réalisés au LaBoMaP. Le choix de ces revêtements a été établi en s’appuyant sur mes résultats, ceux de précédents doctorants du LaBoMaP [5,6,40,41] et sur la littérature [18,23,80,84]. Le Tableau 54 regroupe les conditions de dépôt, les épaisseurs et la composition chimique des revêtements qui ont été testés en usinage industriel au Québec.
Tableau 54. Conditions de dépôt, épaisseur et composition chimique des revêtements pour couteaux Canter testés en usinage de l’épinette noire
La Figure 124 représente les imageries MEB des sections transversales des différents revêtements obtenus sur Silicium. Les épaisseurs de ces films varient entre 3 et 7.5 µm. Leurs microstructures sont colonnaires et denses. Aucun décollement de ces couches n’a été observé après leur clivage, preuve de leur bonne adhérence. Nous pourrons également noter que les dépôts composés de C sont beaucoup plus denses que les nitrures ou carbonitrures (exemple, TiWC et CrWC). Dépôt Tensions cibles (-V) t (min) Ar % N2% (Pa) P (µm) e Teneurs (% at.) C N Cr Ti W Mo V Al CrN Cr : 900 300 75 25 0.40 3.60 - 38 62 - - - - - MoN Mo : 900 75 25 0.56 3.51 - 57 - - - 43 - - CrMoN Cr : 760 Mo : 780 60 40 0.66 3.47 - 52 23 - - 27 - - TiN Ti : 900 60 40 0.80 4.13 - 86 - 14 - - - - TiWC Ti : 800 WC : 600 100 - 0.40 4.12 16 - - 72 12 - - - TiWCN WC : 600 Ti : 800 50 50 0.40 3.72 13 50 - 25 17 - - - WCCr WC : 600 Cr : 800 100 - 0.40 7.50 24 - 51 - 25 - - - WCCrN Cr : 800 WC : 600 50 50 0.40 4.25 6 50 39 - 5 - - - CrVN Cr : 900 V : 300 75 25 0.56 4.22 - 34 51 - - - 14 - CrAlN Cr : 900 Al : 300 75 25 0.54 3.90 - 40 46 - - - - 12