Le procédé d’usinage et la formation du copeau

Il existe différents procédés d’usinage, et suivant ces procédés, différents modes de coupe ont été définis (Figure 8, Figure 9). Pour décrire les modes de coupe, une représentation à base de deux nombres est généralement utilisée (McKenzie 1967) :

- le premier représente l’angle formé entre la direction de l’arête de coupe et le fil du bois ; - le second représente l’angle formé entre la direction de déplacement de l’outil et le fil du

bois.

Directions principales de coupe : A : Coupe transversale

- Direction perpendiculaire aux fibres - Arête de coupe perpendiculaire aux

fibres

B : Coupe longitudinale - Direction parallèle aux fibres _{- Arête de coupe parallèle aux fibres} A : Coupe tangentielle - Direction perpendiculaire aux fibres _{- Arête de coupe parallèle aux fibres} Figure 8 : Définition des différents modes de coupe [Kivimaa 1950]

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Orientation Exemples d’opérations d’usinage Coupe [1] 90-90 Sciage à ruban (délignage) A

[2] 90-0 Dégauchissage B

[3] 0-90 Tenonnage par dérouleur C

[4] 0-90 Sciage à ruban (tronçonnage) C [5] 90-0 Toupillage avec faible passe B

[6] 90-90 Fraisage en bout A

Figure 9 : Description des différents modes de coupe [McKenzie 1967 ; Juan 2007]

Dans notre cas, on s’intéressera plus particulièrement aux modes de coupe 90-0 et 90-90 qui correspondent aux types d’opérations couramment réalisées en défonçage et rabotage. Nous allons donc décrire les différents types de copeaux qui sont formés lors de ces deux types d’opérations d’usinage.

Etude des copeaux formés dans le mode 90-0 :

Copeau type I : formation de copeau par fendage

L’outil pénètre dans le bois en séparant la matière grâce à une fente qui se propage en avant de l’arête de coupe. Cette fente peut être très longue et se propage selon une direction que l’on ne maîtrise pas, généralement le sens des fibres. On obtient cette forme de copeau, continu, (Figure 10 a) lorsque la composante normale de l’effort de coupe est supérieure à la cohésion de la matière (résistance du bois en traction perpendiculaire aux fibres). Il apparaît également en rabotage en début de pénétration de l'outil. Il entraîne bien souvent des éclats et des arrachements; il est donc à éviter. L'usure de l'outil est relativement faible. Le travail nécessaire à la formation de ce copeau est relativement faible, et les efforts de coupe présentent des pics d'amplitude.

Copeau type II : formation de copeau par compression

Le bois est comprimé par l’outil jusqu’à la rupture des fibres. Pour obtenir une telle forme de copeau (Figure 10 b), il faut que l’effort de coupe soit voisin de la direction des fibres, ce qui signifie que la composante normale doit être très faible. Ce type de copeau est à rechercher car l’état de surface généré est bon, mais aussi parce que la surface engendrée correspond exactement à la trajectoire de l’outil, ce qui est toujours l’objectif à atteindre. L’effort normal est peu important lorsque l’angle de coupe est faible.

Copeau type III : formation de copeau par flambage

Le flambage est la particularité qu’a une pièce élancée de plier sous une charge axiale : elle ne se comprime pas mais fléchit, cette flexion entraînant la rupture. Pour obtenir cette forme de copeau (Figure 10 c), il faut donc réunir deux conditions : un copeau mince et un effort de

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coupe dont la composante axiale est prépondérante. L’état de surface n’est pas excellent car la rupture se fait par arrachement de fibres. Il en résulte un état de surface pelucheux. Bien que n’étant pas parfait, il est très acceptable car un ponçage très léger supprime cet inconvénient.

(a) Type I (b) Type II (c) Type III

Figure 10 : Présentation des différents types de copeau [Koch 1964]

Lors d'un travail en opposition dans le mode de coupe 90-0, les trois types de copeaux décrits précédemment se succèdent (type I, puis II et enfin III), alors que lors d'un travail en avalant, il y a d'abord compression puis flambage du copeau (type II, puis type III), et c'est l'absence de fendage (type I) qui explique qu’il n'y ait pas d'arrachements (Eyma 2002).

Etude des copeaux formés dans le mode 90-90:

Ce mode d’usinage correspond au tenonnage, au profilage en bout, et à quelques cas de défonçage comme l’usinage dans le plan RT (Juan 2007).

Schématiquement, on peut considérer que le bois est constitué par une juxtaposition de fibres. Chacune d’elles peut être assimilée à une poutre encastrée dans un matériau semi-élastique. Trancher une fibre revient à sectionner une poutre en appliquant un effort perpendiculaire à son axe. Selon que le point d’application de cet effort est proche ou éloigné du plan d’encastrement, on obtient une rupture par cisaillement ou par flexion.

La rupture obtenue par flexion se produit soit au point de contrainte maximale, soit à un endroit où les caractéristiques mécaniques sont plus faibles, mais jamais au point d’application de l’effort. Pour la coupe, où l’on souhaite que le plan de rupture corresponde à la trajectoire de l’outil, la rupture par flexion est inacceptable. Si cette flexion est très grande, un second plan de rupture peut se produire sous l’outil.

La coupe par cisaillement se produit lorsque l’on empêche la flexion des fibres. Dans le cas d’un travail en pleine matière, chaque fibre est maintenue par celles situées en aval. Lorsque la matrice ainsi constituée possède une résistance mécanique supérieure aux efforts de coupe, l’état de surface est correct. On distingue toutefois deux qualités de surface obtenues par cisaillement :

- L’état de surface est très bon : dans ce cas la cohésion du bois est très forte et quelques rares fissures apparaissent lors du passage de l’outil. Ces fentes sont de dimensions réduites et se referment sitôt l’outil passé ;

- La surface est de mauvaise qualité : les efforts de coupe sont bien plus importants que la cohésion inter-fibres. Des fissures plus profondes apparaissent, et ne se referment pas après le passage de l’outil. Bien que la surface soit globalement sans arrachements, ces ruptures altèrent l’aspect de la surface et certaines de ses caractéristiques mécaniques. Lorsque la cohésion du bois est insuffisante, les fibres fléchissent et se cassent ailleurs qu’à l’endroit souhaité.

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Dans tous les cas, les meilleurs états de surface sont obtenus avec des bois durs et homogènes, dans lesquels les fibres ont une bonne cohésion. Il est d’ailleurs préférable que l’angle de coupe soit le plus élevé possible. Par ailleurs, il faut également noter la possibilité du phénomène suivant en sortie d’outil : il n’y a plus (ou plus assez) de fibres pour soutenir celles qui subissent la coupe. Ces dernières fléchissent et se cassent : d’où des éclats en sortie d’outil.

Il apparait donc clairement que les mécanismes de formation du copeau sont directement responsables des états de surface obtenus et des efforts de coupe engendrés lors de la coupe. Qui plus est, l’étude de la formation des copeaux nous renseigne sur les sollicitations mécaniques imposées lors de la coupe (compression, le cisaillement, flexion,…). Toutefois, ces mécanismes de formation du copeau ne sont pas les seuls facteurs à intervenir sur les états de surface et les efforts de coupe : les paramètres de coupe et les propriétés du matériau jouent également un rôle primordial comme on va pouvoir le constater dans les paragraphes suivants.