Comportement à l'usinage du bois de clones de peupliers hybrides

SERGE CONSTANTINEAU

COMPORTEMENT A L'USINAGE DU BOIS DE

CLONES DE PEUPLIERS HYBRIDES

Mémoire présenté

à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en Sciences du bois et de la forêt pour l'obtention du grade de maître es sciences (M.Sc.)

DEPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORET FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2010

Mes premiers remerciements s'adressent à MM. Roger Hernandez et Yves Fortin directeur et co-directeur de recherche, pour leur implication, pour leurs conseils et leur soutien continu dans la réalisation et la rédaction de ce mémoire.

Je remercie également M. Gaétan Daigle, consultant du service de consultation statistique du département de mathématiques et de statistique ainsi que M. Denis Talbot étudiant au doctorat en statistique pour leurs nombreux conseils.

Je voudrais remercier le Réseau Ligniculture du Québec (RLQ) et le Fonds Québécois de la Recherche sur la Nature et les Technologies (FQRNT), organismes qui ont contribué financièrement à la réalisation de cette recherche.

Je voudrais exprimer ma reconnaissance envers M. Pierre Gagné du Réseau ligniculture du Québec pour sa contribution au cours des différentes étapes du projet.

Je tiens également à remercier MM. Luc Germain et Daniel Bourgault, techniciens en travaux d'enseignement et de recherche du Centre de Recherche sur le Bois (CRB) pour leur assistance ainsi qu'à Mmes Colette Bourcier et Guylaine Bélanger pour leur support.

Finalement, je tiens à remercier mon épouse, Françoise, à qui je dédie ce mémoire pour son support inconditionnel. Tes encouragements et ta confiance m'ont grandement aidé à traverser les périodes difficiles et tes sacrifices m'ont permis de concilier travail et étude.

Ill

Résumé

Les comportements au rabotage, ponçage, défonçage et tournage du bois de sept clones de peuplier hybride provenant de trois sites de plantation suivant trois procédés de séchage: conventionnel, à température élevée et à haute température ont été étudiés Les propriétés d'usinage ont été déterminées à une teneur en humidité de 8% suivant la norme ASTM D1666-87. La qualité des surfaces obtenues a été évaluée qualitativement et quantitativement. Les clones de peuplier hybride se sont bien comportés lors du rabotage, ponçage et défonçage. La performance face au tournage fut plutôt faible. Dans l'ensemble, le comportement à l'usinage a été influencé en ordre décroissant d'importance par les paramètres de coupe, les clones, les procédés de séchage et les sites. La meilleure performance du rabotage fut obtenue avec un angle d'attaque de 20° et une onde d'usinage de 1,1 mm. Cette qualité pourrait être encore meilleure en utilisant un angle de 17,5° et une onde d'usinage plus courte. Le séchage conventionnel a eu des effets plus positifs sur la qualité de rabotage que les séchages à température élevée et à haute température. Le ponçage avec un papier fin de 180 grains s'est avéré le meilleur. Le comportement au tournage fut meilleur à une teneur en humidité du bois de 12% comparativement à 8%. Pour le défonçage, le travail en avalant a produit des surfaces plus lisses et de meilleure qualité par rapport à celles obtenues par le travail en opposition. Trois clones ont été identifiés comme étant plus performants pour l'usinage. En général, les bois plus denses ont montré une meilleure performance à l'usinage que les bois légers. Cependant, les corrélations entre la densité du bois et les propriétés d'usinage furent faibles. Bien qu'une sélection orientée selon un critère de densité puisse améliorer indirectement le comportement à l'usinage, l'évaluation directe des propriétés d'usinage est conseillée. Finalement, des effets mineurs des sites et des procédés de séchage ont été observés pour quelques conditions particulières d'usinage et ont par ce fait été considérés négligeables.

Avant-Propos

Ce document a été rédigé dans le cadre d'une maîtrise en sciences du bois et est présenté sous la forme d'un mémoire de publication. Il a été conçu selon les critères de présentation adoptés par le comité des programmes de 2ieme et 3ieme cycles en sciences du

bois de l'Université Laval, en juillet 1998. On y retrouve un article scientifique présenté en anglais au chapitre 3 intitulé: Wood machining properties of poplar hybrid clones from different sites following various drying treatments. Cet article sera soumis sous peu pour fins de publication à la revue Wood and Fiber Science.

Remerciements ii Résumé iii Avant-Propos iv Table des matières vi Liste des tableaux viii Liste des figures ix INTRODUCTION 1 CHAPITRE 1 4

1.1 Généralités sur le peuplier 4 1.2 Généralités sur la ligniculture (peupliers) du Québec 6

1.3 Généralités sur l'usinage du bois, la coupe du bois et les modes de coupe 12

1.4 Formation du copeau 16 1.5 Comportement à l'usinage du bois 21

1.6 Qualité ou état de surface du bois 28 1.7 Relation entre le séchage et l'usinage du bois de peuplier 31

CHAPITRE 2 34 2.1 Matériel 34 2.2 Essais d'usinage 39

2.2.1 Aptitude au rabotage 39 2.2.2 Aptitude au ponçage 40 2.2.3 Aptitude au façonnage (défonçage) 41

2.2.4 Aptitude au tournage 42 2.3 Évaluation de la masse volumique et de la teneur en humidité d'équilibre 42

2.4 Évaluation qualitative de la qualité de surface 43 2.4.1 Évaluation des proportions des pièces de bonne qualité 44

2.4.2 Évaluation d'un indice de qualité 44 2.5 Évaluation de la microtopographie (profil - 2D et surface - 3D) 45

2.6 Analyses statistiques 48

CHAPITRE 3 50 3.1 Abstract 51 3.2 Introduction and background 51

3.3 Material and methods 54

3.3.1 Material 54 3.3.2 Wood machining tests 55

3.3.2.1 Planing tests 56 3.3.2.2 Sanding tests 56 3.3.2.3 Routing tests 57 3.3.2.4 Turning tests 58 3.3.3 Qualitative assessment of machining properties 58

3.3.3.1 Proportion of acceptable pieces 58

3.3.3.2 Index of surface quality 59 3.3.4 Quantitative assessment of machining properties 59

vu

3.3.5 Statistical analysis 60 3.4 Results and discussion 60

3.4.1 Planing properties 62 3.4.1.1 Effect of feed rate on planing quality 62

3.4.1.2 Effect of rake angle on planing quality 65 3.4.1.3 Effect of drying treatments and clones 65

3.4.2 Sanding properties 67 3.4.2.1 Sandpaper grit and drying treatment interaction 69

3.4.2.2 Site and drying treatment interaction 69 3.4.2.3 Sandpaper grit and clone interaction 70

3.4.3 Turning properties 70 3.4.4 Routing properties 71

3.4.4.1 Flat side grain surface 72 3.4.4.2 Curved side grain surface 73

3.4.4.3 End grain surface 76 3.5 Effect of clones and basic density on wood machining properties 77

3.6 Conclusions 79 3.7 Literature cited 81

CONCLUSION 84 BIBLIOGRAPHIE 87 ANNEXE A Programmes de séchage utilisés 94

ANNEXE B Exemples de qualité de surface obtenue lors des différents essais d'usinage .95 ANNEXE C Résultats d'analyse de variance et tests de comparaison de moyennes pour les

effets des clones, des sites et des traitements de séchage sur la masse

volumique basale et la teneur en humidité d'équilibre 102 ANNEXE D Tests t de Student entre la masse volumique basale moyenne du groupe des

pièces classées de bonne qualité et celle du groupe composé des pièces de

mauvaise qualité 106 ANNEXE E Tests de corrélation de Pearson entre les moyennes d'indice de qualité de

surface et la masse volumique basale moyenne pour les différents essais

d'usinage 111 ANNEXE F Tests de corrélation de Pearson entre différents paramètres de rugosité et la

masse volumique basale moyenne pour les différents essais d'usinage 116 ANNEXE G Analyses de variance avec le paramètre d'indice de la qualité de surface pour

les différents essais d'usinage 122 ANNEXE H Analyses de variance avec le paramètre de rugosité de surface (sRa) ou du

profil de rugosité (Ra) pour les différents essais d'usinage 127

Tableau 1 : Propriétés de rabotage du bois de peuplier provenant de forêt naturelle et pour un peuplier hybride de plantation en fonction de l'angle

d'attaque et des traces de couteau par pouce. Résultats présentés en

termes de la proportion des pièces classées d'excellente qualité 25 Tableau 2: Propriétés de toupillage, perçage, tournage, mortaisage et ponçage du

bois de peuplier provenant de forêt naturelle et pour un hybride de

plantation 26 Tableau 3: Liste des 7 clones échantillonnés pour fins d'analyses 35

Tableau 4: Principales caractéristiques des sites des tests clonaux étudiés. Source :

(Pliura et al 2007) 35 Tableau 5: Structure du dispositif expérimental (nombre de planches) 38

Tableau 6: Critères d'évaluation visuelle du bois de bonne qualité 44

Table 7: Clones selected for the study 55 Table 8: Performance criteria used to define pieces with acceptable surface

quality for each machining test 59 Table 9: Proportion of acceptable pieces for machining properties of seven

poplar hybrid clones (all sites and drying treatments were pooled) 61 Table 10: Means of index of surface quality (ISQ) for machining properties of

seven poplar hybrid clones (all sites and drying treatments were

pooled) 61 Table 11 : Comparison of ISQ means for significant feed rate, rake angle and kiln

drying treatment effects for planing 63 Table 12: Comparison of surface roughness (sRa) means for feed rate and clone

effects for planing 64 Table 13: Comparison of ISQ means for significant site and drying, sandpaper

grit and drying, and sandpaper grit and clone interactions for sanding 68 Table 14: Multiple comparisons of surface roughness (sRa) means for significant

sandpaper grit and clone interaction for sanding 69 Table 15: Comparison of ISQ means for significant wood moisture content and

clone effects for turning 71 Table 16: Comparison of ISQ means of routing properties measured in the flat

side grain, curved side grain, and end grain surfaces of specimens 74 Table 17: Comparison of roughness (Ra) means of routing properties measured in

the flat side grain, curved side grain, and end grain surfaces of

specimens 75 Table 18: Pearson correlation coefficients between basic density of specimens

and their machining properties (with sites and drying treatments

Liste des figures

Page Figure 1 : Coupe transversale d'un bois à pores diffus - peuplier (tiré de Chaney

2010) 5 Figure 2: Vue tridimensionnelle d'un morceau de bois de peuplier (tiré de Cech et

Pfaff 1980) 13 Figure 3: Géométrie de la coupe orthogonale 15

Figure 4: Géométrie de la coupe périphérique 15 Figure 5: Directions découpe (tiré de Juan 2000) 16 Figure 6: Copeau de type I obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964) 17

Figure 7: Copeau de type II obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964) 18 Figure 8: Copeau de type III obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964) 20

Figure 9: Grain pelucheux sur du bois de peuplier hybride 21 Figure 10: Définition des écarts caractéristiques d'un état de surface du bois (tiré de

Triboulot 1984) 29 Figure 11 : Récolte des arbres à St-Ours (source : M. Pierre Gagné du Réseau

Ligniculture Québec) 37 Figure 12: Détail du travail en opposition et en avalant lors de l'essai de défonçage 41

Figure 13: Exemple de microtopographie 3D suivant un rabotage à 12 marques de

couteau par 25,4 mm pour l'échantillon 2213-1 46 Figure 14: Calcul des paramètres RR, RPk, Rvk (tiré de Khazaeian 2006) 47

Figure 15: Comparison between up- and down-milling viewed from above 57 Figure 16: Effect of the number of knife marks per 25.4 mm of cutting length on the

overall mean ISQ for seven poplar hybrid clones. Planing performed at

20° of rake angle and 1.6 mm of cutting depth 64 Figure 17: Effect of rake angle on overall mean of ISQ for seven poplar hybrid

clones. Planing performed at 20 knife marks per 25.4 mm of feed speed

Les forêts du Québec couvrent une superficie de près de 761 100 km2, soit 44,8% de

son territoire. Avec une aire couvrant 7 degrés de latitude, le Québec est partagé en trois zones de végétation distinctes, soit la zone tempérée nordique, la zone boréale et la zone arctique. La zone boréale, principalement composée de conifères sempervirents, représente près de 73,5% de l'ensemble de la surface forestière. Les principales essences résineuses que l'on y retrouve sont le sapin baumier, l'épinette noire, l'épinette blanche, le pin gris et le mélèze laricin. Le bouleau blanc et le peuplier faux-tremble croissent aussi dans les forêts boréales (Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune 2009). Les peupliers ont longtemps été considérés sans grande valeur commerciale. La consommation annuelle québécoise est passée de 240 000 m3 en 1960 à plus de 5 357 000 m3 en 2004 (Ménétrier

2006). Le peuplier faux-tremble au Québec reste la principale source d'approvisionnement de l'industrie du panneau de lamelles orientées avec une consommation de 2 300 000 m3 en

2004, soit près de 43%. (Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune 2006). En 2004, l'industrie des pâtes et papiers, du bois de sciage et du déroulage ont consommé respectivement 1 564 000 m3, 958 000 m3 et 97 000 m3. Cependant, les nouveaux calculs

du chef forestier en décembre 2006 abaissaient la possibilité forestière annuelle des peupliers au Québec de 19,7%. (Bureau du Forestier en Chef 2006). La ligniculture, que l'on peut définir comme la culture intensive des arbres en plantation de courte révolution en vue d'obtenir le maximum de rendement de matière ligneuse, offre une avenue intéressante pour contribuer à enrayer la pénurie de matière première. En moyenne, les rendements des plantations de peuplier hybride sont estimés à entre 160 et 240 m3/ha en volume marchand

à 20 ans, soit de 8 à 12 m3/ha-an (Périnet 1999).

Au Québec, les programmes d'hybridation du peuplier existent depuis 40 ans et visent à sélectionner du matériel amélioré et mieux adapté aux conditions locales. L'intérêt chez les industriels est de plus en plus élevé. De 1998 à 2007, le nombre de plants mis en terre est passé de 200 000 à 1,5 millions par année (Fortier 2008). De plus, en février 2008,

le Gouvernement du Québec publiait le Livre Vert intitulé « La forêt, pour construire le Québec de demain ». Des neuf orientations proposées pour renouveler le régime forestier québécois, la première vise à « favoriser la mise en valeur des ressources par l'implantation d'un zonage du territoire forestier ». En ce qui concerne les zones de sylviculture intensive, la volonté du Gouvernement semble très claire :

« Le moment est venu pour le Québec de se tourner vers une sylviculture plus intensive sur certains territoires ciblés pour leur potentiel de production ligneuse. Ce virage est impératif, entre autres pour que l'industrie de la transformation du bois ait les coudées franches pour aborder avec confiance sa restructuration et sa diversification ».

Une partie importante de l'approvisionnement en peuplier dans les prochaines années proviendra de forêts de plantation de clones de peupliers hybrides. Si le rendement en croissance et la résistance aux maladies constituent des critères importants dans la sélection des clones de peuplier hybride, le comportement à l'usinage doit être connu afin d'optimiser l'utilisation de cette matière première. Les travaux réalisés à ce jour ont porté sur un nombre réduit de clones et principalement sur les propriétés physiques du bois issu de plantations au Québec. Peu de travaux ont été conduits sur l'impact des procédés de transformation en fonction des produits convoités. Il est donc nécessaire d'étudier le comportement de ce bois soumis aux principaux procédés de transformation soit le rabotage, le ponçage, le défonçage et le tournage.

Le but principal de cette recherche est d'évaluer le comportement à l'usinage de sept clones de peuplier hybride provenant de trois plantations soumis à divers procédés de transformation, plus spécifiquement ceux utilisés par l'industrie de la deuxième transformation du bois.

moyenne température, température élevée et haute température. Ces trois méthodes de séchage représentent les principales conditions de séchage que l'on retrouve chez les industriels québécois. Les résultats obtenus permettront d'améliorer les connaissances dans ce domaine, ce qui devrait contribuer au développement du secteur des produits du bois à valeur ajoutée. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet de plus grande envergure portant également sur la détermination des propriétés physiques et mécaniques de ce bois et sur son aptitude au séchage.

Les résultats sont présentés sous forme d'un mémoire de publication. Les différentes parties du mémoire sont alors présentées suivant un ordre particulier à ce type de travail. Le premier chapitre présente une revue de littérature plus exhaustive que celle décrite dans la publication. En plus des généralités sur les peupliers hybrides, on y retrouve des informations sur la coupe de bois et les modes de coupe, la formation du copeau et des défauts engendrés lors de l'usinage, des techniques d'évaluation des propriétés d'usinage ainsi que les résultats de travaux antérieurs reliés à ces propriétés. Le second chapitre décrit le matériel et les méthodes expérimentales utilisés pour réaliser les travaux de recherche. Le troisième chapitre est le corps de ce mémoire et contient un article scientifique qui résume les principales activités de cette recherche, soit : une courte revue de littérature, matériels et méthodes expérimentales, résultats obtenus ainsi qu'une discussion. Le dernier chapitre présente la conclusion générale. Les principaux résultats qui se dégagent de cette recherche y sont présentés ainsi que des suggestions pour de futurs travaux dans ce domaine. La description plus détaillée de l'évaluation des pièces usinées, des photographies montrant la qualité de surface des éprouvettes pour différents essais, des résultats supplémentaires non inclus dans l'article scientifique et des analyses statistiques sont présentés en annexe.

CHAPITRE 1

REVUE DE LITTERATURE

1.1 Généralités sur le peuplier

Les peupliers sont des arbres du genre Populus spp. appartenant à la famille des Salicacées. Le genre Populus comporte six sections botaniques: Leuce (trembles et peupliers blancs), Aegiros (peupliers noirs), Tacamahaca (peupliers baumiers), Leucoides, Turanga etAbaso. Le genre Populus regroupe 35 espèces principales des régions tempérées et froides de l'hémisphère nord. Six de ces espèces sont indigènes au Canada : tremble (Populus tremuloides Michx.), grand tremble (Populus grandidentata Michx.), peuplier baumier (Populus balsamifera L.), liard (Populus deltoïdes Bartr.), peuplier baumier de l'ouest (Populus trichocarpa Torr. & Gray) et le liard amer (Populus angustifolia James) (Hosie 1980). En plus des espèces indigènes canadiennes, on retrouve également des espèces exotiques ainsi que de nombreux hybrides naturels ou créés par l'homme.

Les peupliers sont des bois à pores diffus et présentent une texture fine et uniforme (Figure 1). Le grain du bois est homogène et généralement droit. L'aubier est de couleur pâle et le duramen varie du blanc crème au brun pâle sans transition apparente. Lorsque mouillés, les bois de peuplier dégagent une odeur caractéristique, mais ils sont sans odeur lorsque secs. Les fibres de peupliers sont courtes d'une longueur variant entre 1,3 et 1,4 mm. Le bois de tension est souvent présent et occasionne des difficultés lors du séchage et de l'usinage.

Les bois de peuplier sont tendres et légers. La masse volumique basale varie de 300 à 450 kg/m . La teneur en humidité du fût de l'arbre est élevée et dépasse 100% avec peu de variation entre l'aubier et le duramen. Les poches d'humidité sont fréquentes. Considérant leurs faibles masses volumiques, les peupliers ont un retrait volumétrique élevé (11% à 12%). De plus, les peupliers ont un rapport élevé de retrait tangentiel sur radial, qui cause des déformations lors du séchage (tirant à cœur et déformation en losange). La durabilité naturelle des bois de peuplier est généralement faible et ils se décomposent rapidement dans des conditions défavorables à cause de leur faible contenu en extractibles toxiques pour les champignons. Le bois de peuplier est constitué de fibres (53% à 60%), de vaisseaux (28% à 34%), de rayons (11 à 14%) et une proportion négligeable de parenchyme axial (0,1% à 0,3%) (Panshin et de Zeeuw 1980). La composition chimique de ces bois favorise son utilisation pour sa transformation en pâte de bois puisqu'il est caractérisé par approximativement 50% de cellulose, 30%

d'hémicellulose et une faible quantité de lignine (20% et moins). Les propriétés mécaniques des peupliers sont plus faibles que la majorité des essences indigènes du Québec. Ses propriétés sont comparables à celles du pin blanc (Pinus strobus, L.). Le bois de peuplier retient bien les peintures et les teintures et ses propriétés de collage sont bonnes à excellentes (Mullins et McKnightl981; Balatinecz et al 2001).

La valeur économique des bois de peuplier se retrouve majoritairement dans la fabrication de pâte à papier et de panneaux structuraux et non structuraux: panneaux de lamelles orientées, panneaux de lamelles parallèles et panneaux de fibres à densité moyenne (Ménétrier 2006). Une proportion plus faible des volumes disponibles de ce bois est utilisée dans la fabrication de boîtes, de caisses, de palettes, de frisons d'emballage, de composantes de meubles et de bois de dimension pour la construction (Mullins et McKnight 1981). Les meilleures billes sont destinées à la fabrication de placages, de contreplaqués et de poutres de placages lamelles (Hosie 1980).

1.2 Généralités sur la ligniculture (peupliers) du Québec

La ligniculture peut être définie comme la culture intensive des arbres en plantation de courte révolution en vue d'obtenir le maximum de rendement de matière ligneuse. La recherche en ligniculture au Québec existe depuis 1969 grâce à un programme du Service de l'amélioration des arbres initié par M. Gilles Vallée de l'ancien ministère de l'Énergie et des Ressources du Québec. Ce programme s'est attardé aux essences à croissance rapide que sont les peupliers et les mélèzes hybrides. Le programme d'amélioration génétique du peuplier est sous la responsabilité d'une équipe de la Direction de la recherche forestière (DRF) du ministère responsable des forêts du Québec. Ce programme a produit des populations améliorées à partir de cinq principales espèces parentales: P. balsamifera, P. deltoides, P. maximowiczii, P. nigra et P. trichocarpa.

jour, la DRF a produit un nombre élevé de clones de peuplier hybride qui sont recommandés pour plus de 40 sous-régions écologiques du Québec. La liste des clones recommandés comprend 44 clones disponibles; ces clones couvrent les domaines bioclimatiques 1 à 5, de l'érablière jusqu'à la sapinière à bouleau blanc (Permet et al 2005, Ménétrier 2006).

Les objectifs initiaux de recherche en populiculture visaient la sélection locale d'arbres ou d'hybrides naturels et l'introduction d'espèces dans le but d'identifier des clones et des descendants de peupliers à croissance rapide ayant une certaine résistance aux principales maladies et insectes; et qui sont adaptés aux différentes conditions écologiques du Québec. L'âge de rotation des plantations de peuplier hybride est de deux à trois fois inférieure à l'âge des rotations observées dans les peupleraies naturelles (Périnet 1999).

Les essais d'hybridation pour le peuplier ont rapidement généré du matériel amélioré mieux adapté aux conditions locales et plus performant. Le peuplier est facile à hybrider et se prête particulièrement bien à la multiplication par bouturage, ce qui en fait une essence forestière idéale pour l'amélioration génétique (Périnet 1999). Le peuplier est l'essence qui a fait l'objet du plus grand nombre d'essais et de test d'arbres génétiquement modifiés. Le séquençage du génome du peuplier a été annoncé en 2004 et publié en 2006 (Tuskan et al 2006).

La plupart des programmes d'amélioration génétique avaient initialement pour mandat d'améliorer le taux de croissance, la forme et les résistances aux maladies et aux insectes (Vallée 1995; Hernandez et al 1998). Cependant, les arbres aménagés de façon intensive, avec de courtes rotations de récolte contiennent des pourcentages élevés de bois juvénile (Bendsten 1978). Pour les feuillus, des différences notables sont généralement

observées entre le bois juvénile et le bois mature. Cependant, l'amplitude des variations détectées de la moelle vers l'écorce serait plus faible chez les feuillus que chez les résineux (Bendsten 1978; Maeglin 1987; Mâtyâs et Peszlen 1997 et Bao et al 2001). De plus, certains auteurs rapportent la présence d'une quantité excessive de bois de tension dans le bois juvénile des peupliers lorsque les taux de croissance sont accélérés (Bendsten 1978). Lors du séchage, le retrait dimensionnel du bois de tension est plus important que celui du bois normal. Également, le bois de tension accentue la présence et l'amplitude du gauchissement et de l'affaissement (Clark 1958; Ritter et al 1993). Les différences entre le bois juvénile et mature ainsi que la présence de bois de tension peuvent occasionner des problèmes lors de l'usinage ou de l'utilisation des bois.

Beaudoin et al (1992) ont observé une masse volumique du bois inférieure pour le clone P. x euramericana (P. deltoides x P. nigra) comparativement aux peupliers indigènes. Des moyennes plus faibles de masse volumique ont également été observées pour le P. x euramericana comparé au tremble (P. tremuloides) et au liard (P. deltoides) (Hernandez et al 1998). De plus, des différences significatives de la masse volumique ont été rapportées pour dix clones de P. x euramericana et il n'y a qu'une faible corrélation négative entre le taux de croissance et la masse volumique. Beaudoin et al (1992) indiquent que la masse volumique serait sous contrôle génétique. Pour la sylviculture, cela permet d'envisager la sélection de clones ayant les plus fortes ou les plus faibles masses volumiques de leurs bois en fonction de l'utilisation ciblée. Également, la corrélation étant négative et faible, ceci permet d'envisager d'exploiter les exceptions à cette règle. Koubaa et al (1998a) ont étudié les retraits radial, tangentiel et volumétrique de dix clones du peuplier hybride P. x euramericana. Cette étude a permis d'observer qu'il n'y avait pas de corrélation significative entre le taux de croissance et le retrait pour les clones étudiés. Le retrait du bois pour l'ensemble de ces clones était similaire à celui du liard, mais légèrement supérieur à ceux des autres peupliers indigènes. Finalement, certains des clones testés ont présenté des valeurs de retrait plus faibles que celles des autres clones étudiés, ce qui ouvre la porte à la possibilité de développer des programmes de sélection pour améliorer ce trait génétique. Cependant, parmi les clones étudiés, ceux ayant un retrait faible possédaient

un programme de sélection.

Cependant, la sélection génétique pour identifier les arbres appropriés pour des applications spécifiques de bois solide a reçu peu d'attention (Koubaa et al 1998a; Chauret et al 1999). Il est possible que des hydrides avec des taux de croissance supérieurs, des formes de fût améliorées, et de bonnes caractéristiques pour l'industrie du panneau de lamelles orientées ou des pâtes et papiers soient moins performants pour des utilisations de bois solide. Pour diversifier l'utilisation du bois, les hybrides doivent être sélectionnés pour une variété de propriétés du bois. Hernandez et al (1998) ont échantillonné dix clones du peuplier hybride P. x euramericana d'un site pour étudier la variabilité de certaines propriétés mécaniques à l'intérieur des arbres, entre les clones et à l'intérieur des clones. Les propriétés mécaniques de ces clones étaient similaires à celles du liard mais légèrement inférieures à celles du tremble. Il y a eu des différences significatives entre les clones de cet hybride, certains clones avaient de meilleures valeurs mécaniques. Cependant, la variation à l'intérieur des clones n'était pas significative car tous les arbres provenaient d'un seul site. Ils ont également constaté que les propriétés mécaniques des clones de l'hybride s'améliorent avec l'âge. Il y a eu de plus une faible corrélation négative entre le taux de croissance, la masse volumique et les propriétés mécaniques à hauteur de poitrine. Pliura et al (2005) ont étudié les variations de masse volumique, les retraits dimensionnels et certains traits de croissance de douze clones provenant de trois hybrides sur deux sites possédant un potentiel différent de croissance. Des différences significatives de croissance et de masse volumique ont été observées entre les deux sites. Également, la différence de croissance entre les hybrides étudiés a été significative. La variation entre hybrides pour la masse volumique a été également plus significative pour le bois juvénile que pour le bois de transition. La variation mesurée entre les clones est modérée pour les propriétés du bois ainsi que les traits de croissance à l'exception de la masse volumique mesurée dans le bois de transition où l'effet du clone a été significatif. Certains résultats ont permis aux auteurs d'observer que des conditions environnementales favorables facilitent la variation entre les

10

clones pour la masse volumique du bois. Pliura et al (2006) ont étudié la variabilité génotypique inter annuelle de la masse volumique du bois et de ses composantes intra-cerne pour quatre jeunes peupliers hybrides provenant de quatre sites. A l'instar de Beaudoin et al (1992) et Hernandez et al (1998) qui n'ont travaillé qu'avec un seul hybride, ils ont observé que la masse volumique du bois de tous les hybrides est plus élevée près de la moelle et diminue avec l'âge cambial. La variation significative entre les hybrides augmente avec l'âge pour certaines propriétés dont la masse volumique moyenne, le poids sec et la largeur des cernes. L'effet du site sur la masse volumique diminue avec l'âge.

Peters et al (2002) ont étudié certaines propriétés mécaniques et physiques sélectionnées pour du bois solide et des panneaux à lamelles orientées de onze clones appartenant à trois hybrides provenant des régions côtières et intérieures du Nord Ouest Pacifique. Les valeurs moyennes de flexion statique observées sur de petits échantillons sans défauts sont généralement inférieures à celles des essences indigènes commerciales publiées dans le Wood Handbook, version de 1999. Ils ont également obtenu des différences significatives entre les clones pour les valeurs de flexion et de stabilité dimensionnelle. De plus, les propriétés de flexion et de stabilité dimensionnelle semblent inversement corrélées, particulièrement pour le retrait longitudinal qui est fonction des angles des micro-fibrilles. Généralement, plus l'angle des micro-fibrilles est élevé, plus le retrait longitudinal est important et plus faibles sont les propriétés de flexion. Enfin, ils n'ont pas observé d'effet significatif du site sur les propriétés étudiées.

Les propriétés mécaniques en flexion d'un hybride de peuplier pour des applications structurales de construction ont été étudiées par Kretschmann et al (1999). Les résultats suggèrent que le bois de ce peuplier peut être utilisé en construction avec des propriétés similaires à celles des espèces indigènes de peuplier. Le matériel est particulièrement approprié pour des applications en construction de charpentes légères. Cependant, seulement une faible proportion du bois étudié possède des propriétés mécaniques supérieures en flexion permettant une utilisation dans les membrures externes des fermes

de toit. Deux méthodes de sciage ainsi que deux cédules de séchage ont également été étudiées. La méthode de sciage en plot, permettant le séchage avant délignage des débits, a permis de réduire le déclassement des pièces suivant les défauts de forme dus au séchage.

Chauret et al (1999) ont évalué les caractéristiques dendrométriques de vingt et un jeunes clones de peupliers de trois ans provenant d'un site fertile et d'un site mal drainé dans le but de faire une sélection précoce des clones les plus performants. De plus, ils ont évalué les propriétés mécaniques et physiques ainsi que le comportement au déroulage de cinq clones recommandés pour le sud du Québec ainsi que pour deux clones de référence. Le site a eu un effet déterminant sur la croissance et la masse volumique du bois des arbres de tous les clones âgés de 3 ans. D'autre part, la qualité du site ne semble pas avoir un effet significatif sur la longueur des fibres et la teneur en humidité de l'arbre sur pied au moment de l'abattage. Les résultats démontrent une variabilité inter clone significative pour la croissance et la qualité du bois. Cependant, la plupart des clones à forte croissance avaient des masses volumiques et des propriétés mécaniques moins élevées que celles des clones à moins forte croissance. Les auteurs ont également observé que les sept clones étudiés possèdent les caractéristiques pour produire d'excellents placages pour une utilisation non structurale.

L'aptitude à l'emploi et le comportement à l'usinage d'hybrides et de clones de peuplier pour des utilisations en produits à valeur ajoutée ont été peu étudiés. Entre autres, les travaux de de Boever et al (2007) portent sur les propriétés physiques et mécaniques de trois hybrides provenant d'une plantation. Les résultats ont permis de constater que les caractéristiques de croissance n'ont pas affecté de manière significative les propriétés physiques et mécaniques. Bien que les clones étudiés soient génétiquement rapprochés, des variations importantes entre les propriétés mécaniques et physiques ont été observées. Des caractéristiques spécifiques telles que la distribution du bois de tension et la stabilité dimensionnelle sont des propriétés importantes affectant la qualité du produit final. Un des

12 hybrides était plus apte à la fabrication de panneaux contreplaqués et de bois de sciage. Également, ils indiquent que certaines modifications aux différents procédés de transformation seraient nécessaires pour utiliser les deux hybrides moins performants.

Comme nous le verrons à la section 1.3, certaines propriétés mécaniques et physiques du bois jouent un rôle important dans la formation du type de copeau et la qualité de surface produite lors de l'usinage.

1.3 Généralités sur l'usinage du bois, la coupe du bois et les modes de coupe

Un des principaux objectifs d'un procédé d'usinage du bois tel que le rabotage est celui d'obtenir une qualité de surface acceptable. Le principe de base de l'usinage conventionnel est l'enlèvement de matière amenant la production et le détachement de copeaux. Il est obtenu par la coupe du matériau constitutif de la pièce suite à un procédé de contrainte-rupture (Koch 1964). La contrainte de rupture est imposée au matériau par une action humaine ou par une action d'une machine en utilisant un outil de coupe doté d'une énergie suffisante pour détruire la cohésion dans le matériau. Lors de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière est réalisé suite à l'action des mouvements relatifs entre la pièce et l'outil: le mouvement de coupe (vitesse de coupe) et le mouvement d'avance (vitesse d'avance). Le plus souvent, le mouvement de coupe est provoqué par l'outil (sciage, fraisage, perçage, etc.), ou également par le déplacement de la pièce (tournage, déroulage, tranchage, etc.) mais parfois simultanément lorsque la pièce et l'outil sont en mouvement dans des directions différentes (défonçage). Ce mouvement de coupe est principalement circulaire ou rectiligne.

. Plan transversal

Plan tangentiel

Plan radial

Figure 2: Vue tridimensionnelle d'un morceau de bois de peuplier (tiré de Cech et Pfaffl980).

La matière ligneuse des feuillus comprend des fibres, parenchymes, vaisseaux et rayons orientés selon trois plans principaux (Figure 2) :

• Le plan transversal est la surface exposée lorsque le bois est coupé perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bille.

• Le plan tangentiel est produit lorsqu'on scie la bille tangentiellement aux cernes annuels.

• Le plan radial est obtenu lorsque la coupe suit un rayon de la section transversale selon l'axe de la bille.

14 Le bois étant un matériau anisotrope (Panshin et de Zeeuw 1980), il devient essentiel de bien comprendre son organisation puisqu'une des principales conséquences de cette anisotropic est la différence de comportement à l'usinage du bois selon les différents plans de coupe. La direction du mouvement et la forme de l'outil de coupe déterminent le développement des contraintes imposées au bois et, par conséquent, la manière dont la rupture ou coupe est réalisée. La qualité de surface obtenue lors de l'usinage du bois sera intimement rattachée à la formation des copeaux.

Deux principaux modes de coupe ont été identifiés, soit les coupes orthogonale et périphérique. La coupe orthogonale est obtenue lorsque l'arête tranchante d'un outil est perpendiculaire à la direction relative du mouvement de la pièce de bois. La surface usinée résultante est un plan parallèle à la surface originale. Un rabot de menuiserie illustre ce type de coupe. La scie circulaire, la scie à ruban, la ponceuse et le tour à bois sont des exemples de machines-outils usinant en mode orthogonal (Figure 3).

La coupe périphérique est quant à elle obtenue par un procédé de coupe rotative où les copeaux sont enlevés sous forme de faucille. Ces copeaux sont produits par l'engagement intermittent dans une pièce de bois des couteaux positionnés en périphérie d'une tête rotative servant de porte-couteaux (Figure 4).

Pour faciliter la description des modes de coupe orthogonale, McKenzie (1960) a proposé un système de notation à deux chiffres: le premier représente l'angle entre l'arête tranchante de l'outil et le fil du bois tandis que le deuxième indique l'angle entre la direction de coupe et le fil du bois (Figure 5).

Légende : 1 : largeur du copeau e : épaisseur du copeau a : angle d'attaque P : angle de taillant y : angle de dépouille

Figure 3: Géométrie de la coupe orthogonale.

Faca d'attaque du couteau Légende : a : angle d'attaque |i : angle de taillant y : angle de dépouille Largeur du méplat ~"~ > i Y = 90° - (a + Bl

16

Légende Orientation Exemples de procédé d'usinage (degrés)

1 90-90 Sciage à ruban (délignage) 2 9 0 - 0 Oégauchissage 3 0-90 Éboutage, déroulage 4 0-90 Sciage à ruban (tronçonnage) 5 90-0 Toupiliage avec faible passe 6 90-90 Fraisage en bout

Figure 5: Directions de coupe (tiré de Juan 2000).

Tel qu'illustré à la figure 5, on retrouve trois coupes de base, les coupes 990°, 0°-90° et 0°-90°-0°. La formation du copeau en coupe orthogonale 0°-90°-0° représente une des situations d'usinage les plus fréquentes, ce qui justifie quelques précisions supplémentaires. Par exemple, le travail d'un rabot de menuisier et le dégauchissage sont des exemples typiques de coupe 90°-0°. Il est intéressant de souligner que la coupe orthogonale est un cas particulier d'usinage périphérique où le rayon de l'outil tend vers l'infini. Le mode de coupe orthogonal est ainsi utilisé pour analyser la formation de copeaux en mode de coupe périphérique.

1.4 Formation du copeau

Lors d'une étude sur l'usinage de bois suivant une coupe orthogonale 90°-0°, Franz (1958) observa que les copeaux se forment selon trois manières différentes. Il les a identifiés comme les types de copeaux I, II et III. Ces types de formation de copeau déterminent non seulement la géométrie du copeau mais influenceront également la qualité de surface générée sur la pièce usinée.

Figure 6: Copeau de type I obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964).

Le copeau de type I est formé lorsque l'outil pénètre dans le bois grâce à une fente qui se développe en avant de l'arête tranchante de coupe provoquant une rupture et une séparation du copeau similaire à une poutre encastrée en porte-à-faux (Figure 6).

Koch (1964) a observé la formation du copeau par fendage (type I) et recensé certains facteurs prédisposant à son apparition :

• Résistance faible au fendage, combinée avec une rigidité et une résistance élevée en flexion;

• Épaisseur élevée du copeau; • Angle d'attaque élevé;

18

Figure 7: Copeau de type II obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964).

Le copeau produit par fendage suit la direction aléatoire du fil du bois et, en fonction de sa direction, il peut se former même sous le plan de coupe provoquant un défaut du type fil arraché. La surface observée montre des zones où de la matière a été enlevée en dessous du plan de coupe recherché. Ce type de défaut est couramment observé autour des nœuds, étant provoqué dans ce cas par une déviation importante et localisée du fil.

Sous certaines conditions, un copeau de type II est formé lorsque le bois est comprimé et la rupture se produit par cisaillement diagonal suivant une ligne qui s'étend à partir de la face de coupe. Ce type de copeau est recherché car l'état de surface est généralement bon car les fibres sont rompues de façon continue en cisaillement et la surface produite correspond à la trajectoire de l'arête tranchante de l'outil de coupe (Figure 7). Le copeau se dégage souvent en s'enroulant et faisant une spirale. Cette condition d'opération provoquera une usure plus rapide de l'arête tranchante que celle produite sous les conditions favorisant la formation d'un copeau de type I.

• Épaisseur mince de copeau; • Angles d'attaque intermédiaires; • Teneur en humidité intermédiaire.

Koch (1964) présente une méthode développée par Franz (1958) pour estimer l'angle d'attaque qui favoriserait la formation de copeaux de type II. Cette méthode est basée sur la relation entre certaines propriétés mécaniques et le coefficient de friction entre les faces du couteau et du copeau. Le coefficient de friction semble indépendant de l'angle d'attaque et de l'épaisseur du copeau mais très dépendant des essences et de la teneur en humidité. Cette information n'est pas facilement disponible pour toutes les essences et différents niveaux de teneur en humidité. Cette méthode a été peaufinée plus tard par Stewart (1977), qui a établi une relation entre le coefficient de friction, l'angle d'attaque et les efforts de coupe. Il présente ainsi une méthode d'estimation de l'angle d'attaque optimale à utiliser pour favoriser la formation du copeau de type II.

Finalement, le copeau de type III est formé lorsque les forces de l'outil produisent des ruptures par compression et cisaillement longitudinal devant l'arête tranchante de l'outil de coupe. Ce type de copeau a tendance à se produire de façon cyclique. Un cycle typique débute lorsque l'arête de l'outil pénètre dans le bois. Le bois est compressé parallèlement dans le sens du fil, suivi d'un amoncellement compact des éléments déformés sur la face d'attaque de l'outil (Figure 8). Les contraintes sont transférées vers des zones non déformées qui finissent par se briser à leur tour. Le copeau de type III ne s'échappe pas facilement de la face d'attaque de l'outil mais demeure entre cette face et la zone de rupture du bois. Lorsque l'accumulation du matériel compressé atteint un niveau critique, on assiste à l'apparition du flambage i.e. que le copeau fléchira plutôt que de se comprimer. Les conditions qui favorisent la formation de copeau de type III sont :

20

Figure 8: Copeau de type III obtenu en direction 90°-0° (tiré de Koch 1964). • l'emploi de couteaux émoussés.

L'état de surface n'est pas excellent car le copeau produit est sans forme précise et regroupé en petits morceaux. La surface produite est caractérisée par une apparence pelucheuse ou laineuse (Figure 9). Cette apparence se produit lorsqu'un groupe de fibres n'a pas été coupé proprement. Ce défaut se produit également en présence de fibres gélatineuses du bois de tension (Panshin et de Zeeuw 1980).

Le grain soulevé est un autre type de défaut qui apparaît habituellement lorsque le bois présente des variations importantes de masse volumique à l'intérieur des cernes annuels entre le bois initial et le bois final. Le passage de l'outil provoque des contraintes normales de compression et les zones les plus tendres se compriment davantage que les zones les plus denses. Ces contraintes se relâchent après le passage de l'outil. Les facteurs qui favorisent le grain soulevé sont un angle de dépouille insuffisant, des couteaux émoussés, un angle d'attaque faible, ou une pression excessive des rouleaux d'entraînement de la raboteuse.

Figure 9: Grain pelucheux sur du bois de peuplier hybride.

Plusieurs auteurs dont Anonyme (1955), Koch (1964) et Panshin et de Zeeuw (1980) ont décrit les défauts de surface produits lors de l'usinage du bois tels que fil ou grain arraché, grain laineux ou pelucheux, grain soulevé, brûlure de surface et marque de copeaux. Par exemple, les brûlures de surface apparaissent comme des régions plus foncées où le bois a été localement exposé à une chaleur intense normalement provoquée par une réduction importante de la vitesse d'avance. L'usure des outils de coupe peut également engendrer des brûlures de surface.

1.5 Comportement à l'usinage du bois

L'aptitude ou comportement du bois à l'usinage peut être utilisé pour déterminer sa facilité à être façonné suivant différentes formes géométriques et dimensions, tout en permettant de produire des surfaces de qualité requise pour des applications esthétiques, exemple: bois de plancher (Bustos et al 2009); ou fonctionnelles, exemple: propriétés de

22

collage (Triboulot et al 1995; Hernandez et Naderi 2001), adhérence de peinture, teinture et vernis (Ritcher et al 1995; de Moura et Hernandez 2005, Hernandez et Cool 2008a). Un avantage crucial du bois vis-à-vis d'autres types de matériaux tels que l'acier, l'aluminium, le béton et le plastique est sa facilité d'usinage. Cependant, la variation des caractéristiques mécaniques et physiques à l'intérieur d'un même arbre, d'une même essence ou entre des essences jouent un rôle primordial sur sa performance d'usinage. Tout défaut de surface occasionné par un procédé d'usinage inadéquat réduit la qualité de surface du produit visé, occasionnant des coûts additionnels de fabrication.

Plusieurs travaux de recherche sur le comportement du bois à l'usinage ont été conduits sur différentes essences dans des différents pays mais très peu de travaux sur les hybrides de peuplier ont été réalisés. Cantin (1967) a étudié les propriétés d'usinage de seize essences de bois de l'Est du Canada, soit dix feuillus dont le peuplier et six résineux. Gilmore et Barefoot (1974) ont évalué la qualité d'usinage de six bois tropicaux d'Amérique du Sud importés aux États-Unis. Williams et Morris (1998) ont comparé l'aptitude à l'usinage et certaines propriétés mécaniques d'onze essences résineuses et de quatre feuillus dont le peuplier faux-tremble dans le but de déterminer leur potentiel pour des usages de deuxième transformation nécessitant des opérations telles que le tournage, le moulurage et le mortaisage. Lihra et Ganev (1999) ont réalisé une étude comparative de l'aptitude à l'usinage de 17 essences de l'Est du Canada et de trois essences importées d'Europe et d'Asie. Hernandez et al (2001) ont comparé le comportement à l'usinage de l'épinette blanche de 25 provenances de bois de plantation et d'une provenance de forêt naturelle. De plus, les effets de deux traitements de séchage sur les propriétés d'usinage ont été étudiés. Mitchell et Lemaster (2002) ont étudié le comportement au toupillage du bois d'érable à sucre suivant différentes vitesses d'alimentation, orientations du grain du bois par rapport au déplacement de l'outil, deux modes de travail (avalant et opposition) et finalement, selon le degré d'usure des couteaux. Malkoçoglu et Ôzdemir (2006) ont examiné le comportement à l'usinage de cinq essences provenant de forêts naturelles de la région Est de la mer Noire de la Turquie. Bustos et al (2007) ont déterminé l'aptitude à l'usinage du bois de canelo pour des applications à valeur ajoutée. Malkoçoglu (2007) a

un rabotage. Bustos et al (2009) ont étudié l'effet du séchage sur la dureté et les propriétés d'usinage du mélèze pour une application de bois de plancher.

Les études citées précédemment sont généralement basées sur la norme de / 'American Society for Testing and Materials ASTM D1666-87 (2004) qui suggère une méthode détaillée pour étudier le comportement du bois ou de ses dérivés soumis aux procédés d'usinage les plus fréquents soit le rabotage, le ponçage, le toupillage, le mortaisage, le tournage et le perçage. L'évaluation de la qualité de la surface usinée par l'un des procédés d'usinage est réalisée qualitativement par des individus selon une échelle comportant cinq classes : excellent, bon, passable, médiocre et mauvais. Les résultats sont généralement exprimés en pourcentage de pièces exemptes de défauts. Les procédures d'évaluation décrites dans la norme reposent sur une inspection visuelle et tactile.

Tel que mentionné précédemment, Cantin (1967) et plus récemment, Williams et Morris (1998) et Lihra et Ganev (1999) ont tous étudié les caractéristiques d'usinage des bois canadiens provenant de forêt naturelle et rapporté des données pour le peuplier faux-tremble. Williams (1998) a combiné les données de Williams et Morris (1998) avec celles provenant d'essais d'usinage sur un peuplier hybride non identifié afin d'établir une base comparative entre des essences de forêt naturelle et un peuplier hybride de plantation. Les tableaux 1 et 2 présentent un sommaire des propriétés d'usinage du bois de peuplier obtenues par ces auteurs. Cantin (1967) et Lihra et Ganev (1999) ont également mesuré la masse volumique basale alors que Williams (1998) et Williams et Morris (1998) ont présenté celle anhydre. Malgré des masses volumiques semblables pour le peuplier faux-tremble, les résultats des propriétés de rabotage de ces auteurs furent très différents. Pour le rabotage (Tableau 1), Cantin (1967) et Lihra et Ganev (1999) ont obtenu des proportions de pièces sans défauts de 56% et 46% respectivement, alors que Williams et Morris (1998) ont trouvé près de 80% des pièces avec une surface excellente (moyenne globale). Pour le peuplier hybride, les propriétés de rabotage obtenues par Williams (1998) s'apparentent à

24

ceux de Cantin (1967) et Lihra et Ganev (1999). Dans l'ensemble, le comportement au rabotage du peuplier faux-tremble et du peuplier hybride a été supérieur à celui du peuplier à grandes dents et du peuplier de l'Ouest.

Les quatre études ont confirmé que l'angle d'attaque et la vitesse d'avance influencent de façon importante la proportion de pièces d'excellente qualité lors du rabotage. Pour Cantin (1967), c'est la réduction de l'angle d'attaque de 25° à 20° qui a entraîné les plus importantes améliorations de qualité de surface pour le peuplier faux-tremble. Cet auteur a clairement démontré que lorsque le nombre de traces de couteau au pouce augmente de 8 à 16, la proportion de pièces sans défauts augmente sensiblement. De 16 à 20 traces de couteau au pouce, la qualité s'améliore encore mais à un taux moindre. Lihra et Ganev (1999) ont aussi observé l'effet positif résultant d'une diminution de la vitesse d'avance sur le rabotage du peuplier faux-tremble. Cependant, pour ces auteurs, les deux angles d'attaque (12° et 20°) ont produit une qualité de rabotage équivalente. Alors que pour Cantin (1967), le type de défaut le plus fréquent fut le grain arraché, Lihra et Ganev (1999) ont également noté du grain pelucheux.

Les différents angles d'attaque étudiés par Lihra et Ganev (1999) et Cantin (1967) peuvent expliquer les différences de qualité de surface entre ces deux études pour le peuplier faux-tremble. Lihra et Ganev (1999), en utilisant d'une part un angle d'attaque particulièrement faible (12°) auraient favorisé ainsi la formation de copeau de type III, donc une augmentation de l'incidence de grain pelucheux. D'autre part, Cantin (1967) en étudiant des angles d'attaque particulièrement élevés, jusqu'à 30°, aurait favorisé la formation de copeaux de type I et une augmentation de la fréquence de défaut du type grain arraché. Morris (1998) rapporte que les meilleurs résultats de rabotage pour le peuplier hybride ont été obtenus avec un angle d'attaque de 20° et une vitesse d'alimentation de 16 traces de couteau par pouce. Le défaut le plus fréquent a été le grain pelucheux mais, qu'étant léger, serait facilement éliminé lors du ponçage.

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Pour les autres propriétés d'usinage du peuplier, les résultats varient aussi d'une étude à l'autre (Tableau 2). Cantin (1967) a trouvé une proportion de 66% de pièces d'excellente qualité lors du toupillage alors que Williams et Morris (1998) et Lihra et Ganev (1999) ont rapporté des proportions de pièces bonnes et excellentes de 98% et 86% respectivement. Pour le peuplier hybride, Williams (1998) a obtenu 98% de pièces bonnes et excellentes.

Par ailleurs, le comportement au perçage fut très bon pour Cantin (1967) et Lihra et Ganev (1999) et plus faible pour Williams et Morris (1998) avec 73% des pièces classées comme bonnes et excellentes. Williams (1998) a indiqué un comportement au perçage supérieur pour le peuplier hybride que pour le peuplier faux-tremble et le peuplier de l'Ouest. Les essais de tournage réalisés par Cantin (1967) ont montré une meilleure performance pour les pièces de peuplier faux-tremble à 6% de teneur en humidité (H) que pour celles tournées à 12% H (Tableau 2).

Lihra et Ganev (1999) ont rapporté un meilleur comportement au tournage que Cantin (1967) et Williams et Morris (1998) pour le peuplier faux tremble à 12% H mais en incluant dans le calcul des proportions les pièces de qualité 3, contrairement aux autres auteurs du tableau 2. Pour les essais de mortaisage, Williams et Morris (1998) et Lihra et Ganev (1999) ont trouvé des proportions plus importantes de pièces acceptables à excellentes que Cantin (1967). Finalement, pour les tests de ponçage, Williams et Morris (1998) ont obtenu une très grande proportion de pièces sans défaut comparativement à Lihra et Ganev (1999) avec seulement 4% des pièces de qualité excellente. Williams (1998) a rapporté des résultats identiques pour le comportement au ponçage du peuplier hybride et du peuplier faux-tremble.

La comparaison des résultats entre ces études pour le peuplier faux tremble montre des différences importantes qui peuvent être expliquées par la variabilité naturelle du bois ainsi que par la méthode d'évaluation visio-tactile recommandée par la norme ASTM

28 D1666-87 (2004). Étant donné que cette évaluation demeure qualitative, elle devient subjective et comporte des imprécisions dues à la perception personnelle des opérateurs. Elle resterait quand même adéquate pour comparer le comportement à l'usinage de plusieurs essences au sein d'une même étude. Cependant, il devient difficile de comparer les propriétés d'une espèce donnée rapportées dans différentes études (Tableaux 1 et 2). C'est une des raisons qui explique pourquoi la norme encourage l'utilisation d'équipements de mesure lorsque ces derniers permettent une amélioration de la précision de l'évaluation.

1.6 Qualité ou état de surface du bois

La qualité ou l'état de surface du bois est fonction du matériau usiné, des conditions opérationnelles d'usinage et de la géométrie de l'outil de coupe (Juan 2000; Hernandez et Rojas 2002) ainsi que de la qualité de fabrication et de la qualité de conception des machines-outils (Jackson et al 2002) :

• Les paramètres liés au matériau usiné sont sa masse volumique, les propriétés physico-mécaniques de l'essence utilisée, la température et sa condition d'humidité;

• Les facteurs liés aux conditions de travail sont le sens de travail par rapport à l'orientation des fibres, la profondeur de coupe, la largeur et l'épaisseur du copeau et les vitesses de coupe et d'avance;

• Les paramètres propres à l'outil sont l'angle d'attaque, l'angle de dépouille, le degré d'émoussement de l'arête de coupe, l'état de la face d'attaque, la friction entre le copeau et la face de l'outil, le nombre de couteaux et le diamètre de coupe.

Défauts de planeite Écarts de form* et d* position

Ondulations Écart du 2eme ordre

Lignas des variations d'épaisseur

Rugosité Écarts des 3ime et4éme ordre

Figure 10: Définition des écarts caractéristiques d'un état de surface du bois (tiré de Triboulot 1984).

La qualité ou l'état de surface des matériaux usinés de bois peut être caractérisée par trois composantes principales:

• Rugosité de la surface; • Ondulation de surface; • Écarts de forme et de position

Triboulot (1984) a introduit une notion d'échelle dans la topographie de surface. Il englobe dans la définition de l'état de surface tous les défauts des lier, 2ième, 3ième, et 4ième

ordres et le terme rugosité s'applique uniquement aux défauts des 3ieme et 4,eme ordres

(Figure 10).

La rugosité de surface est influencée par les effets produits par l'arête tranchante des outils de coupe sur la structure anatomique du bois étudié. En coupe périphérique, l'ondulation de surface est définie comme étant les composantes de longueur d'onde plus grande produit par le mouvement du procédé d'usinage (Jackson et al 2002).

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À cet égard, des travaux de recherche ont été réalisés pour comparer la rugosité des surfaces pour différentes essences, procédés d'usinage ou pour des utilisations spécifiques. Triboulot et al (1995) ont relié la performance du collage (énergie développée lors de la rupture) à la rugosité des surfaces pour des panneaux de fibres à densité moyenne. Ils ont démontré que les meilleures performances des assemblages collés n'ont pas été obtenues à partir des surfaces les moins rugueuses. Taylor et al (1999) ont étudié la relation entre différents paramètres de ponçage (type de papier, grosseur du grain, pression), la quantité de matériel enlevé et la rugosité de surface pour quatre essences selon deux orientations. En général, ils ont rapporté que l'orientation du fil du bois n'avait pas d'effet significatif sur la rugosité de surface pour toutes les essences avec un papier de grain No 100 mais qu'il devient plus important lorsque le grain du papier devient plus fin. L'utilisation de grains de carbure de silicium a permis d'obtenir des surfaces moins rugueuses qu'avec du papier contenant des grains fabriqués à partir d'oxyde d'aluminium et ce, pour toutes les grosseurs de grain, bien que plus spécifiquement pour les papiers à grains plus grossiers. Des résultats semblables ont été obtenus par de Moura et Hernandez (2006) lors du ponçage du bois d'érable à sucre. Kilic et al (2006) ont étudié la rugosité des surfaces tangentielle et radiale pour du hêtre et du peuplier scié, raboté et poncé (deux types de grain : 60 et 80). Ils n'ont pas observé de différences significatives entre les faces tangentielles et radiales pour les valeurs de cinq paramètres de rugosité (Ra, Rz, Rk, Rpk et RVk). Les valeurs de rugosité du

peuplier ont été significativement inférieures à celle du hêtre pour les quatre conditions d'usinage étudiées. Également, ils rapportent une réduction de la rugosité entre un ponçage avec un papier de 60 à 80 grains pour les paramètres Ra, Rz et Rk. Ratnasingam et Scholz

(2007) ont réalisé une série d'expérimentations sur le bois de caoutchouc (Hevea brasiliensis) en vue d'optimiser les paramètres du rabotage. Ils ont fait varier l'angle d'attaque (15°, 20° et 25°) et la largeur de l'onde d'usinage (0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm 1,4 mm et 1,5mm). Les résultats indiquent une augmentation de la rugosité maximale RmaX et

une réduction de la proportion de surface sans défaut avec une augmentation de la vitesse d'alimentation. La variation de l'angle d'attaque influence également la proportion de pièces sans défaut. Ratnasingam et Scholz (2007) ont constaté que l'utilisation d'une vitesse d'avance produisant un pas de 1,2 mm (20,8 traces de couteau par pouce) combiné à un angle d'attaque de 20° permet d'obtenir les meilleurs résultats de qualité de surface.

ponçage pour réduire la présence du grain pelucheux chez le bois de caoutchouc et améliorer la qualité de surface. Ils ont utilisé le paramètre Ra pour quantifier les variations

de rugosité. Sulaiman et al (2009) ont également étudié l'effet du ponçage sur la rugosité du bois de caoutchouc. Leurs observations ont démontré une réduction de la rugosité du bois lorsque le nombre de grains du papier sablé augmente. La rugosité des surfaces radiales était supérieure à celle des surfaces tangentielles. La rugosité était également plus grande lorsque mesurée en direction transversale qu'en direction longitudinale. Cela serait provoqué par le fait que les rayures produites par les grains abrasifs suivent le fil du bois lorsque le ponçage est fait suivant la direction longitudinale. Des résultats semblables ont été obtenus par de Moura et Hernandez (2006) pour l'érable à sucre et par Hernandez et Cool (2008b) pour le bouleau blanc.

1.7 Relation entre le séchage et l'usinage du bois de peuplier

Au Canada, les peupliers sont une source importante d'approvisionnement pour l'industrie des pâtes et des panneaux. Au Québec, des volumes importants de peupliers sont utilisés pour la production de palettes de manutention. D'un point de vue commercial, la plus grande valeur ajoutée qu'on peut obtenir pour du bois de sciage de peuplier au Québec est la production de bois de palettes de manutention. Cependant, le peuplier hybride n'a pas été étudié comme source potentielle de matière première pour le secteur du bois à valeur ajoutée, contrairement à l'industrie italienne du meuble qui emploie des volumes significatifs de peupliers hybrides et la Chine qui a identifié le peuplier hybride comme essence clé pour son secteur manufacturier et son marché intérieur (Kang et al 2007). Une des limitations majeures à l'emploi de volumes appréciables d'hybrides de peuplier dans l'industrie de seconde transformation est la sévérité du déclassement lors du procédé de séchage (Kang et al 2007). Les travaux de Mackay (1974; 1976), Mackay et al (1977), Beauregard et al (1992) et Kârki (2002) ont été réalisés en vue de minimiser le déclassement du bois pour des applications en construction. Les approches étudiées par ces auteurs visaient à modifier les méthodes de débitage, ou développer des cédules de séchage ou combiner les deux approches. Kang et al (2007) a étudié la variation de la qualité du

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bois destiné à la construction de cinq hybrides de peuplier suivant trois programmes de séchage. Les résultats démontrent que la variation due aux programmes de séchage utilisés a eu plus d'impact sur le rendement en qualité et sur l'amplitude des déformations que la variation due au génotype des hybrides.

Cette revue de littérature nous a permis de constater qu'initialement l'enrichissement génétique des peupliers hybrides était orienté vers des objectifs d'amélioration de la croissance et de la forme des arbres, de l'adaptation et de la résistance aux maladies et aux insectes (Vallée 1995; Hernandez et al 1998). Plusieurs programmes de recherche ont également examiné plus attentivement les effets sur la masse volumique et les propriétés des fibres en fonction des besoins de l'industrie des pâtes et papiers (Beaudoin et al 1992; Koubaa et al 1998b; Chauret et al 1999). Certains travaux faits par Hernandez et al (1998), Koubaa et al (1998b), Pliura et al (2005; 2006) et Yu et al (2008) ont permis d'observer que certains hybrides ou clones avaient des propriétés physiques et mécaniques significativement supérieures à d'autres. Les travaux de Pliura et al (2006) ont démontré également que l'âge des arbres, le site de croissance et certains facteurs environnementaux pouvaient avoir un effet sur les caractéristiques recherchées. Les travaux de Williams (1998), Mansfield (2007) et de Boever et al (2007) ont permis d'examiner certains hybrides de peupliers à croissance rapide en fonction de l'aptitude à l'usinage ou de l'emploi. Williams (1998) a comparé un hybride avec des espèces indigènes. Mansfield (2007) a comparé l'aptitude au ponçage et la mouillabilité de cinq clones pour un site et un seul traitement de séchage.

L'objectif général de cette étude est de comparer le comportement à l'usinage du bois de clones de peuplier hybride soumis aux principaux procédés d'usinage utilisés par l'industrie de la deuxième transformation du bois. Les objectifs spécifiques sont: 1) d'évaluer la qualité de surface du bois de sept clones suite à des essais de rabotage, défonçage, tournage et ponçage; 2) de mesurer l'influence de certains paramètres opérationnels sur la qualité de surface; 3) d'étudier l'impact de trois programmes de séchage couramment utilisés par les industriels québécois, soit le séchage à moyenne température, à température élevée et à haute température sur la performance à l'usinage; et

de surface sera évaluée qualitativement et quantitativement pour tous les essais à l'exception du tournage qui ne sera évaluée que qualitativement.

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CHAPITRE 2

MATERIEL ET METHODES

2.1 Matériel

Le présent travail fait partie d'un ensemble de travaux de recherche concernant l'évaluation des propriétés physiques et mécaniques du bois, le comportement au séchage et l'aptitude à l'usinage de sept clones de peuplier hybride. Les sept clones sélectionnés proviennent de la liste des clones recommandés par la Direction de la recherche forestière (DRF) du Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune (MRNF). Il s'agit de clones recommandés pour la partie méridionale du Québec (Tableau 3).

L'échantillonnage des arbres a été réalisé pendant les mois de juillet, août et début septembre 2007. Les arbres provenaient de trois plantations expérimentales établies dans différentes régions du Québec méridional (Tableau 4). Ces plantations sont des dispositifs expérimentaux de la Direction de la recherche forestière (DRF) du ministère des Ressources naturelles et de la Faune du Québec, servant à l'évaluation d'environ 150 à 200 clones différents. Ces tests clonaux étaient assez âgés pour que les arbres présentent une taille et un diamètre suffisants pour le projet. De plus, ces trois sites couvrent plusieurs types de milieux de croissance dans la partie méridionale du Québec. Le site de Saint-Ours fait partie de dépôt suivant le retrait de la mer de Champlain riche en sol salin-argileux (40% argile), tandis que Platon et Windsor appartiennent à des sols sablonneux et loameux. Les sites étaient tous des terres agricoles abandonnées lors du début des tests.

Tableau 3: Liste des 7 clones échantillonnés pour fins d'analyses. TV clone 131 3230 3565 3570 3586 4813 915508 Type de croisement D x N T x D D x N D x N DxN D x N D N x M

D x N : Populus deltoides x P. nigra T x D : P. trichocarpa x P. deltoides

DN x M : (P. deltoides x P. nigra) x P. maximowiczii

Tableau 4: Principales caractéristiques des sites des tests clonaux étudiés. Source : (Pliura et al 2007).

Site Année Longitude Latitude Altitude Sous-région Espacement Matériel d'établissement Ouest Nord (m) écologique

-Domaine bioclimatique des arbres avant/après éclaircie de plantation Platon Windsor St-Ours 1991 1995' 1993 1993 71°51' 71° 48' 73° 11' 46° 40' 45° 42' 45° 53' 60 260 15 2bT Erable à 1 mx 3 m Boutures sucre - / (30 cm) domaine du 2 m x 3 m tilleul 2cT Erable à 1,5 mx3,5 Boutures sucre - m/ (25 cm) domaine du 3 mx 3,5 m tilleul

laT Erable à 1,2m x 3,5 Boutures sucre - m/ (25cm) domaine du 2,4 m x 3,5

caryer a noix m amer

Le clone 915508 a été mis en terre en 1995 (récolte après 13saisons de croissance).

Les tests clonaux des trois sites ont été établis suivant un dispositif complètement aléatoire composé de 10 blocs. Les clones ont été plantés en rangée à raison de 4 arbres par parcelle, chaque parcelle représentant un clone. Un éclaircissement systématique