Mécanismes d’usure des outils de coupe de MDF

L’usinage du MDF a été l’objet de plusieurs études [67,11,68-71]. En effet, malgré l’augmentation de son utilisation, le MDF reste parmi les matériaux composites à base de bois les plus abrasifs du fait de la présence de la colle adhésive et de la densité élevée de ses panneaux. Plusieurs chercheurs se sont intéressés aux phénomènes d’usure des outils de coupe utilisés en usinage des panneaux de MDF [11,68-71]. La théorie classique de l’abrasion ne peut pas expliquer l’usure d’un outil ayant une dureté beaucoup plus élevée que le bois [68]. De ce fait, comprendre les différents mécanismes contribuant à l’endommagement des outils est indispensable afin de faciliter le choix des améliorations à apporter pour augmenter leur durée de vie.

Dans des études antérieures [11,69-71], il a été montré que l’usure des outils en carbure de tungstène, utilisés en usinage des panneaux de particules et panneaux de fibres de bois, se fait d’une manière générale par élimination de la phase métallique de cobalt puis par détachement des grains de WC de l’arête. D’autre part, des microfissures ont été observées dans la phase métallique expliquant son élimination par micro-abrasion. En outre, la vibration des grains de WC sous l’effet des efforts de coupe, provoque leur fissuration et par la suite leur fragmentation en petits morceaux ainsi que leur détachement de l’arête de l’outil.

Durant le fraisage (ou défonçage) des panneaux de particules ou de fibres de bois [69], les efforts de coupe ne sont pas constants, du fait de la discontinuité du procédé, les outils de coupe subissent de forts impacts lors de leur contact avec le panneau à usiner. Ceci peut provoquer des endommagements sévères de l’arête par écaillage et par détachement d’un nombre important de grains de carbure de tungstène en une seule fois. Par ailleurs, aucune trace d’oxydation ni de corrosion n’a été observée, les grains de WC semblaient bien garder leur apparence initiale.

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Sheikh-Ahmad et Bailey [68] ont étudié l’effet de la dureté, de la taille des grains, du pourcentage de cobalt et du type de phase métallique sur l’usure des outils utilisés en usinage des panneaux de particules. Ils ont constaté que l’usure est souvent provoquée par micro- abrasion et microdéformation de la phase métallique conduisant par la suite à son élimination partielle et au détachement des grains de WC. De plus, les panneaux de particules et de fibres contiennent de petites quantités de silice provenant du bois initial constitué de la matière de base, les grains de silice peuvent s’insérer entre l’outil et le panneau de bois et accélérer l’élimination de la phase métallique par micro-abrasion.

Selon Sheikh-Ahmad et Bailey [68], l’usure augmente quand le pourcentage de la phase métallique et la taille des grains de WC augmentent et elle diminue quand la dureté de WC- Co augmente. Par ailleurs, l’addition de nickel, de chrome et de molybdène n’améliore pas la résistance à l’usure, ces éléments ont été choisis pour améliorer la résistance à l’oxydation du WC-Co, mais leur effet sur l’usure n’était pas très visible.

Dans ses travaux, Stewart [72] a rapporté que l’usure par adhésion, diffusion, fatigue, oxydation et corrosion à haute température sont les mécanismes dominants lors de l’usinage de panneaux de MDF en utilisant des outils en WC-Co. D’autre part, l’addition de certains éléments tels que le chrome, le nickel et le bore à la phase métallique peut améliorer sa résistance à l’oxydation et à la corrosion et par conséquent sa résistance à l’usure. Reid et al. [73] ont montré que le MDF se décompose, à haute température, en de nombreux gaz nocifs qui peuvent attaquer chimiquement et fragiliser la phase métallique du cobalt. En outre, l’usure des outils se fait en deux étapes, la première, à faibles températures (< 400°C), par formation de composés chimiques avec le cobalt (exemple : sulfure) et la deuxième, à hautes températures (> 500°C) par oxydation des grains de WC. Selon Basu et Sarin [74] l’oxydation de WC-Co commence à 600°C, sa vitesse augmente avec la température et avec le pourcentage d’oxygène présent dans l’atmosphère et diminue quand le taux de cobalt augmente.

Stewart et al. [75] ont constaté qu’une décharge électrique se produit lors du contact entre l’outil et les panneaux de MDF. Durant l’usinage de bois vert, cette décharge électrique est continue du fait de la présence de l’eau dans le bois, donc l’outil et la pièce à usiner se transforment en deux électrodes accélérant par la suite la corrosion de l’arête de coupe. Dans le cas du MDF, la décharge électrique est discontinue et faible, mais elle reste suffisante pour augmenter la température d’oxydation et la corrosion de l’outil de coupe.

Selon Bailey et al. [76] l’élimination de la phase métallique du cobalt se fait par attaque chimique subie par les extractifs présents dans le bois vert. Ensuite, les grains de carbure se détachent l’un après l’autre car la force de liaison entre ceux-ci et le liant cobalt n’est plus suffisante pour résister aux efforts de coupe. Pugsley et Sockel [64] ont étudié la résistance à la corrosion des carbures de tungstène trempés dans l’acide tannique, cette solution a été choisie afin de simuler les différentes attaques chimiques rencontrées lors de l’usinage de bois. Ils ont remarqué que la résistance à la fatigue diminue significativement dans le milieu corrosif et que la première défaillance, sous un effort cyclique, a été observée à 25% de la résistance mécanique du carbure de tungstène. Gauvent et al. [77] ont comparé la résistance à la corrosion de trois types de carbure de tungstène et trois nuances d’aciers. Ils ont montré que les carbures sont plus résistants que les aciers, et que plus le pourcentage de cobalt diminue dans les carbures, meilleure est leur résistance.

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La température de l’arête de coupe est l’un des facteurs les plus importants provoquant l’usure des outils, car les propriétés essentielles des matériaux telles que la dureté et la stabilité thermique et chimique se dégradent significativement avec l’augmentation de la température. En effet, la contribution des différents mécanismes d’usure ne peut être évaluée sans avoir des informations précises sur la température de l’arête de coupe et de la façon dont elle affecte les propriétés du matériau dont l’outil est fabriqué. Sheikh-Ahmad [78] a fait un résumé de certains travaux traitant de la détermination de la température de l’arête de coupe lors de l’usinage des composés de bois (panneaux de particules ou panneaux de fibres de bois). Le tableau.I.6 résume les températures mesurées en utilisant différentes techniques : thermocouples, radiométrie infrarouge, techniques thermomécaniques et thermochimiques. Dans certains cas, des mesures près de l’arête de coupe ont été extrapolées afin de trouver une valeur proche de la température réelle de l’arête de l’outil. Les températures illustrées dans le tableau.I.6 ne peuvent représenter que des températures limites inférieures de la température d’usinage, les valeurs réelles sont nettement plus élevées.

Processus de coupe Matériaux de coupe Méthode de mesure Vitesse de coupe (m/s) Vitesse d’alimentation Température (C°) Coupe par pendule double bras Scie en HSS TC à 0.55 mm _{de l’arête} 15-32 0.2-1.2 mm 100-500

Coulissant Aciers alliés,

HSS, WC-Co TC à 3, 5, 8 mm 1-5 - 40-200 Coupe orthogonale continue HSS TC à 4, 6, 9 mm 0.2-20 0.05mm 20-200 Frottement Aciers TC à 2, 4, 8, 16 mm 1.1-14 - 60-260 Coupe continue

sur tour WC-Co TC à 1, 2, 3mm 17,6-42 0.05, 0.1mm/rev 200-275

Sciage HSS IR à 0.3mm 57, 79 10, 15, 20m/min 250-350 Frottement sur la face arrière dents de scie en WC-Co IR à 0.15mm 1.6-23.6 - 120-250 Coupe orthogonale discontinue WC-Co IR à 0.11mm 5-20 0.043mm 50-154 Rainurage discontinue WC-Co IR à 0.11mm 5-20 0.043mm 100-200 Fraisage périphérique Aciers allés, HSS Microdureté 22-45 1mm 200-310 Fraisage

périphérique HSS, Stellite Microdureté

44 25 - - 375 550 Coupe

discontinue WC-Co PVD film 26.5-30.5 0.35mm 327

TC : Thermocouple, IR : infrarouge.

Tableau.I.6. Mesure de la température des outils de coupe par différentes méthodes [78].