ANGELA MAGALI LLAVÉ CAMPOS
EFFETS DE L’ANGLE D’ATTAQUE, DE
L’ORIENTATION DE COUPE ET DE LA
PROFONDEUR DE COUPE SUR LES EFFORTS DE
COUPE ET LA QUALITÉ DE SURFACE DU BOIS
D’ÉPINETTE NOIRE
Mémoire présentée
à la Faculté des études supérieures de l‟Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences du bois
pour l‟obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE
UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC
2011
Remerciements
Je tiens tout d‟abord à remercier mon directeur de recherche, le professeur Roger Hernández, qui m‟a offert la possibilité d‟effectuer ce travail de maîtrise et qui m‟a dirigé et encouragé tout au long de sa réalisation.
Je remercie également mon codirecteur, le professeur Ahmed Koubaa, pour ses conseils et ses commentaires, et tous les autres professeurs du département des sciences du bois et de la forêt pour leurs conseils.
Je remercie le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) qui a financé ce projet de maîtrise, ainsi que M. Benoît Laganière de FPInnovations pour ses recommandations et son expertise.
Je remercie tous les techniciens et le personnel du Centre de recherche sur le bois (CRB) de l‟Université Laval, pour leur disponibilité et judicieux conseils tout au long des différentes phases expérimentales de ce travail.
Également, je profite de l‟occasion afin de remercier l‟ensemble des professeurs de la Faculté de sciences forestières de l‟Université Nationale Agraire La Molina au Pérou, en particulier le professeur Enrique Gonzales Mora qui m‟a beaucoup encouragé pour réaliser cette maîtrise au Québec.
Enfin, ma profonde gratitude va à ma grande famille et tous mes ami(e)s qui m‟ont vraiment encouragée dans mes études universitaires. Merci pour tout.
Résumé
Le but du présent projet vise à déterminer les effets de l‟angle d‟attaque, de l‟orientation de coupe et de la profondeur de coupe, sur les efforts de coupe et la qualité de surface pendant l‟équarrissage du bois d‟épinette noire. Pour ce faire, l‟étude a comporté deux volets. Le premier volet visait à déterminer les efforts de coupe avec un dynamomètre triaxial (placé sur la table d‟amenage d‟une fraiseuse ayant un angle de couteau de 20° et une vitesse d‟avance de 7.6 mm/s), lors des coupes faites avec 4 angles d‟attaque (35°, 45°, 55° et 65°), 4 orientations (0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°) et 3 profondeurs (1, 2 et 3 mm). Le deuxième volet comportait la mesure de la qualité de la surface obtenue avec un profilomètre confocal muni d‟un stylo optique ayant une profondeur de champ de 24 mm. Les critères d‟évaluation furent le fil arraché, l‟ondulation et la rugosité.
Les résultats ont montré qu‟au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente, les efforts de coupe, le fil arraché, l‟ondulation et la qualité de surface diminuent. L‟angle d‟attaque de 65º a produit les efforts de coupe les plus faibles et les meilleures qualités de surface, indépendamment de l‟orientation et de la profondeur de coupe. Les effets de la profondeur de coupe sur la variation des efforts de coupe et de la qualité de surface furent plus importants que ceux de l‟orientation de coupe. Ainsi, au fur et à mesure que la profondeur diminue, les effets de l‟orientation de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de surface se retrouvent amoindris. L‟application de ces résultats au travail d‟une équarrisseuse-fragmenteuse est analysée.
Avant-Propos
Le présent travail a été réalisé sous la direction de M. Roger Hernández, professeur au département des sciences du bois et de la forêt de l‟Université Laval, et sous la codirection de M. Ahmed Koubaa, professeur à l‟Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue.
Ce travail de recherche a été effectué aux laboratoires du Centre de recherche sur le bois (CRB) de l‟Université Laval, grâce au financement du Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) et de FPInnovations.
Ce document est présenté sous forme d‟un mémoire de publication. Il a été conçu selon les critères de présentation adoptés par le comité des programmes de 2ième et 3ième cycles en sciences du bois de l‟Université Laval, en juillet 1998.
Le présent document est constitué de trois chapitres. Afin de permettre une meilleure compréhension du sujet traité dans ce travail, de l‟information générale sur l‟espèce traitée, des aspects fondamentaux sur la coupe du bois et sur l‟étude de la qualité de surface, ainsi que de l‟information sur le travail des équarrisseuses-fragmenteuses sont présentés au chapitre 1 sous forme de revue de littérature. Dans ce même chapitre, on retrouve également les hypothèses de recherche formulées ainsi que les objectifs à réaliser. Le chapitre 2, quant à lui, décrit le matériel utilisé et explique de manière chronologique et détaillée, les méthodologies expérimentales qui ont été utilisées au cours de cette étude. Enfin, un article scientifique rédigé en français est présenté au chapitre 3.
Conformément à l‟article scientifique présenté dans ce mémoire, un article rédigé en anglais: Effect of cutting angle, cutting orientation and cutting depth on the cutting
resistance and on the surface quality of black spruce wood, sera soumis sous peu pour fins
Avec tout mon amour à une femme sage et courageuse, à toi maman.
Table des matières
Remerciements ... i
Résumé ... ii
Avant-Propos ... iii
Table des matières ... v
Liste des tableaux ... viii
Liste des figures ... ix
Introduction ... 1
CHAPITRE 1 ... 3
REVUE DE LITERATURE ... 3
1.1. Information générale sur l‟épinette noire ... 3
1.2. La coupe du bois ... 5
1.2.1. Types de coupe ... 7
1.2.2. Efforts de coupe ... 12
1.2.3. Facteurs affectant les efforts de coupe ... 15
1.3. La qualité de surface du bois ... 18
1.3.1. Définition ... 18
1.3.2. Défauts de la surface ... 19
1.3.3. Topographie de la surface ... 20
1.3.4. Facteurs affectant l‟état de surface ... 27
1.4. Équarrisseuse-fragmenteuse ... 30
1.4.1. Description générale et caractéristiques... 30
1.4.2. Performance de l‟équarrisseuse-fragmenteuse ... 32
1.5. Hypothèses et objectifs de travail ... 34
CHAPITRE 2 ... 36
MATÉRIELS ET MÉTHODES ... 36
2.1. Matériel d‟essai ... 36
2.2. Préparation des échantillons ... 36
2.3. Évaluation de la masse volumique basale ... 37
2.4. Évaluation des efforts de coupe ... 37
2.5. Évaluation de la qualité de surface ... 39
2.6. Analyse statistique ... 41
2.6.1. Dispositif expérimental ... 42
2.6.2. Premières analyses ... 42
2.6.3. Analyse de composantes principales ... 43
2.6.5. Analyse de variance ... 45
2.6.6. Analyse de régression ... 45
CHAPITRE 3 ... 47
ARTICLE SCIENTIFIQUE ... 47
Effets de l‟angle d‟attaque, de l‟orientation de coupe et de la profondeur de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de surface du bois d‟épinette noire ... 47
3.1. Résumé ... 47
3.2. Introduction ... 48
3.3. Matériels et méthodes ... 50
3.3.1. Évaluation des efforts de coupe ... 50
3.3.2. Évaluation de la qualité de surface ... 51
3.3.3. Analyse statistique ... 52
3.4. Résultats et discussion ... 53
3.4.1. Analyse initiale ... 53
3.4.2. Évaluation des efforts de coupe ... 56
3.4.3. Évaluation de la qualité de surface ... 58
3.4.4. Analyse de la qualité de surface par rapport aux efforts de coupe ... 65
3.5. Conclusions et recommandations ... 69
Conclusions générales ... 71
Bibliographie ... 74
Annexe A ... 79
Tableau A.1. Efforts de coupe moyens lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 1 mm de profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 79
Tableau A.2. Efforts de coupe moyens lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 2 mm de profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 80
Tableau A.3. Efforts de coupe moyens lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 3 mm de profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 81
Annexe B ... 82
Tableau B.1. Qualité de surface lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 1 mm de profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 82
Tableau B.2. Qualité de surface lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 2 mm de profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 83
Tableau B.3. Qualité de surface lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 3 mm de
profondeur de coupe avec quatre angles d‟attaque et quatre orientations de coupe. ... 84 Annexe C ... 85
Tableau C. Résultats de l‟analyse principale de variance des efforts de coupe et des
facteurs de la qualité de surface. ... 85 Annexe D ... 86
Tableau D.1. Corrélation entre les efforts de coupe et la masse volumique basale
pour chaque condition de coupe. ... 86
Tableau D.2. Corrélations entre les facteurs de qualité de surface et la masse
Liste des tableaux
Tableau 1.1. Propriétés physiques et mécaniques de l‟épinette noire á l‟état vert
(d‟après Jessome 1977). ... 6
Tableau 1.2. Paramètres généraux, norme ISO 4287 (1997). ... 26 Tableau 2.1. Valeurs de corrélation de l‟analyse de composantes principales réalisée
avec les données d‟ondulation et de rugosité ... 45
Tableau 3.1. ANOVA des efforts de coupe requis à 65º d‟angle d‟attaque. ... 57 Tableau 3.4. Corrélation de Spearman entre les facteurs de qualité de surface (tous
les résultats obtenus à 65º d‟angle d‟attaque confondus). ... 60
Tableau 3.5. ANOVA des facteurs de qualité de surface obtenus à 65º d‟angle
d‟attaque. ... 64
Tableau 3.6. Analyse de variance de la régression des facteurs de qualité de surface
obtenus à 65° d‟angle d‟attaque. ... 64
Tableau 3.7. Équations de régression des facteurs de qualité de surface obtenus à 65°
d‟angle d‟attaque. ... 66
Tableau 3.8. Corrélations entre les facteurs de qualité de surface et les efforts de
coupe obtenus à 65º d‟angle d‟attaque (tous les résultats des orientations et profondeurs de coupe confondus, n=199). ... 68
Tableau 3.9. Analyse de variance des régressions multiples des facteurs de qualité en
fonction des efforts de coupe pour 65º d‟angle d‟attaque (tous les résultats des orientations et profondeurs de coupe confondus, n=118)... 69
Liste des figures
Figure 1.1. Repartition de l‟épinette noire en Amerique du nord (d‟après Zhang et
Koubaa 2009). ... 4
Figure 1.2. Deformation du bois avant que l‟effort de coupe dépasse la résistance du
bois (d‟après Hoadley 2000). ... 6
Figure 1.3. Principaux types de coupe orthogonale (selon Hoadley 2000). ... 8 Figure 1.4. Copeau de type I, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de 30º
et à 1,52mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009). ... 9
Figure 1.5. Copeau de type II, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de 20º
et à 0,38mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009). ... 9
Figure 1.6. Copeau de type III, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de
10º et à 1,52mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009). ... 9
Figure 1.7. Transition du copeau de type B vers un copeau de type A. Le copeau de
type B a été obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 0,25 mm de profondeur de coupe. Le copeau au centre a été obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 0,5 mm de profondeur de coupe. Le copeau de type A fut obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 1 mm de profondeur de coupe (adaptée de Stewart 1979). ... 11
Figure 1.8. Géométrie de la coupe orthogonale et des composantes de la force de
coupe résultante (selon Woodson et Koch 1970). ... 14
Figure 1.9. Profils d‟evaluation de la qualité de surface. Pour le bois, la longueur de
base la plus utilisée frequemment pour separer les profils d‟ondulation et de rugosité est 2,5 mm (adapté de Mummery 1992). ... 22
Figure 1.10. Tête porte-outils de l‟équarrisseuse-fragmenteuse Comact, munie de 8
porte-couteaux avec leurs couteaux respectifs (Tiré de Passarini 2011). ... 31
Figure 1.11. Porte-outil contenant un couteau plié composé de deux parties servant à
couper la surface des équarris (a) et à fragmenter les copeaux (b). (Tiré de Kuljich 2009). ... 31
Figure 1.12. Schéma montrant l'action de coupe de la partie plus longue du couteau
plié et du contre-fer des équarrisseuses-fragmenteuses. À mesure que l‟arête tranchante entre dans le bois, le couteau coupe une tranche quasiment perpendiculaire au fil du bois. Cette tranche frappe ensuite le contre-fer provoquant son éclatement et formant ainsi des copeaux (tiré d‟Hernández et Quirion 1995). ... 33
Figure 1.13. Variation de l‟orientation de coupe tout au long de la trajectoire de la
partie du couteau responsable de la finition. Dans la figure: r = rayon de l‟axe de rotation de la tête porte-couteaux, et d = distance entre la barre
d‟appui et l‟axe de rotation de la tête. (Adapté d‟Hernández et al. 2010). ... 33
Figure 2.1. Schéma de coupe des planches à partir d‟une bille. ... 38
Figure 2.2. Schéma de coupe des échantillons à partir d‟une planche. ... 38
Figure 2.3. Échantillon utilisé pour l‟évaluation de la masse volumique basale. ... 38
Figure 2.4. Dynamomètre triaxial Kistler 9257B. ... 40
Figure 2.5. Schéma de coupe des échantillons. ... 40
Figure 2.6. Distribution des lignes d‟évaluation pour la mesure de la qualité de surface. ... 40
Figure 2.7. Profilomètre confocal Micromeasure. ... 41
Figure 2.8. Distribution des échantillons dans un plan split-split-plot. ... 43
Figure 3.1. Schéma de coupe et de distribution des échantillons à partir d‟une planche. ... 51
Figure 3.2. Force parallèle en fonction de l‟orientation de coupe et des angles d‟attaque de 35º et 65º. Usinage effectué à 3 mm de profondeur de coupe. Les barres d‟erreur correspondent à l‟erreur type. ... 55
Figure 3.3. Efforts de coupe moyens lors de l‟usinage de l‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque en fonction de quatre orientations et trois profondeurs de coupe. Les barres d‟erreur correspondent à l‟erreur type. ... 57
Figure 3.4. Effets de l‟orientation et de la profondeur de coupe sur le fil arraché lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. Les barres d‟erreur correspondent à l‟erreur type. ... 62
Figure 3.5. Effets de l‟orientation et de la profondeur de coupe sur l‟ondulation moyenne lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. Les barres d‟erreur correspondent à l‟erreur type. ... 62
Figure 3.6. Effets de l‟orientation et de la profondeur de coupe sur la rugosité moyenne lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. Les barres d‟erreur correspondent à l‟erreur type. ... 63
Figure 3.7. Effet de la force parallèle sur le fil arraché pour trois profondeurs et quatre orientations de coupe lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. ... 66
Figure 3.8. Effet de la force parallèle sur l‟ondulation moyenne Wa pour trois profondeurs et quatre orientations de coupe lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. ... 67
Figure 3.9. Effet de la force parallèle sur la rugosité moyenne Ra pour trois profondeurs et quatre orientations de coupe lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire à 65º d‟angle d‟attaque. ... 67
Introduction
L‟industrie du sciage au Québec a commencé à utiliser les équarrisseuses-fragmenteuses à partir des années 60. L‟introduction de ces équipements par ces industriels modifia à ce moment la façon d‟obtenir le bois de sciage et les copeaux. Actuellement, la majorité des copeaux sont produits dans les scieries du Québec par ce type de machines. Les équipements les plus répandus dans l‟Est canadien proviennent principalement des équipementiers Sawquip et Comact.
L‟équarrisseuse-fragmenteuse permet de transformer des billes de faible diamètre en équarris sans produire de la sciure. Cette machine produit ainsi des sciages destinés principalement au bois de charpente, tout en produisant des copeaux destinés à la fabrication des pâtes à papier. Les avantages économiques de cette machine et la diminution du diamètre moyen du bois débité en scierie ont favorisé l‟utilisation de ces machines au premier débitage.
Bien que l‟usinage à l‟aide d‟une équarrisseuse-fragmenteuse génère des équarris ayant une qualité de surface assez satisfaisante, il reste encore certains aspects techniques qui doivent être améliorés de manière à augmenter sa performance. Il est nécessaire, par exemple, de développer une méthodologie d‟essais qui permettra de détecter l‟ondulation, la rugosité et les défauts de surface, et de trouver des moyens de les corriger car la qualité de la surface est un élément très important du travail de ces machines. C‟est pourquoi de nombreux essais ont été faits pour détecter les paramètres affectant la topographie de la surface et qui causent des défauts sur les faces de l‟équarri produit.
Un autre élément affectant la performance des équarrisseuses-fragmenteuses est la consommation importante d‟énergie, à cause des efforts de coupe élevés. Les facteurs qui affectent les efforts de coupe peuvent avoir des origines différentes. Il y a ainsi des facteurs reliés à l‟alimentation (profondeur de coupe, largeur de coupe, vitesse d‟amenage, orientation du fil par rapport à la coupe), d‟autres reliés à l‟outil de coupe (angle d‟attaque,
angle de dépouille, état d‟affûtage, angle de déviation) et ceux qui sont reliés à la pièce de bois (espèce, teneur en humidité, température).
Le but de la présente étude a été de déterminer l'influence de l‟angle d‟attaque, de l‟orientation du fil et de la profondeur de coupe sur la qualité de surface et les efforts de coupe produits lors de l‟usinage du bois d‟épinette noire [Picea mariana (Mill.) B.S.P] à l‟état vert. Ces résultats seront ensuite intégrés au travail de l‟équarrisseuse-fragmenteuse afin d‟améliorer la qualité de la surface des équarris produits. Nous avons travaillé avec 320 échantillons ayant une section de 30 mm x 30 mm, provenant de dix billes d‟épinette noire à l‟état vert. Les efforts de coupe furent évalués suivant les directions parallèle et normale alors que la qualité de surface fut évaluée selon le degré de fil arraché et de topographie de la surface, soit l‟ondulation et la rugosité.
CHAPITRE 1
REVUE DE LITERATURE
1.1. Information générale sur l’épinette noire
L‟épinette noire appartient à la famille Pinaceae, son nom scientifique est Picea mariana Mill. B.S.P. et son nom anglais est black spruce. Cette espèce, dont la croissance est habituellement lente, atteint une hauteur d‟environ 9 à 15 m et un diamètre de 15 à 25 cm (Mullins et Mc Knight 1981). L‟épinette noire vit en moyenne jusqu‟à 200 ans. Les arbres possèdent un tronc droit avec un faible défilement et une cime pointue composée de petites branches compactes et à bout relevé. L‟écorce est mince (entre 6 et 13 mm), rougeâtre ou gris-brun. D‟apparence écailleuse ou déchiquetée quand l‟arbre est jeune, elle devient foncée et se recouvre de grandes écailles quand l‟arbre est à maturité. Les principales branches sont petites comparées à celles d‟autres épinettes. Les feuilles ressemblent à des aiguilles linéaires à petites tiges et étalées de 0,5 à 1,5 cm de long, raides et d‟un vert brunâtre clair. Les cônes mâles sont petits, nombreux et cylindriques. Les cônes femelles ont une forme d‟oblongue à cylindrique et sont produits au bout ou proche du bout des rameaux (Zhang et Koubaa 2009).
L‟épinette noire est une essence abondante répartie sur un vaste territoire sur tout le continent (figure 1.1). De Terre-Neuve et du nord du Québec, elle pousse vers l‟ouest, dans tout le nord du Canada jusqu‟à la côte ouest de l‟Alaska, puis vers le sud jusqu‟au centre de la Colombie-Britannique et au centre et au sud du Minnesota, et vers l‟est jusqu‟au Rhode Island et au Massachusetts (Little 1979).
Figure 1.1. Repartition de l‟épinette noire en Amerique du nord (d‟après Zhang et Koubaa
2009).
Le bois de l‟épinette noire varie de modérément léger et tendre à modérément tendre. Il est presque blanc à marron jaunâtre pâle, sans différence ou presque entre l‟aubier et le duramen, et il est brillant, sans odeur ni goût. Le bois sec devient gris pâle et montre un effet argenté, il présente un fil droit et une texture assez fine (Panshin et de Zeeuw 1980; Mullins et Mc Knight 1981). Les cernes annuels sont nets et clairement délimités par le contraste entre le bois initial et le bois final, le premier plusieurs fois plus large que le deuxième, la largeur moyenne des cernes est de 1,3mm (Jessome 1977).
Les rayons du bois d‟épinette sont très fins, pas visibles à l‟œil nu. Les trachéides font entre 25 et 30 μm de diamètre. Les ponctuations aréolées de la paroi radiale des trachéides du bois initial se trouvent en rangées simples ou, très rarement, en lignes jumelées. Les ponctuations menant aux parenchymes de rayon sont picéoïdes, de petite taille, homogènes avec des bords marqués et en rangée simple horizontale. Les rayons sont de deux types, unisériés (minces et nombreux, ils font de 1 à 20 cellules de hauteur ou plus) et fusiformes (ils sont dispersés et comprennent un ou deux canaux résinifères transversaux). Les canaux
résinifères ont de cellules épithéliales à paroi épaisse, dont les lumens sont occasionnellement remplis par des thylloïdes dans le bois de cœur. Le diamètre maximal des canaux résinifères longitudinaux est d‟environ 135 μm et le diamètre des canaux transversaux est normalement de moins de 30 μm (Panshin et de Zeeuw 1980).
Les principales propriétés physiques et mécaniques de l‟épinette noire sont présentées au tableau 1.1. D‟après la masse volumique basale, l‟épinette noire devrait avoir une résistance moyenne et une rigidité supérieure à la moyenne (Mullins et Mc Knight 1981).
Le bois d‟épinette noire sèche assez facilement, son retrait est moyen et ses qualités d‟usinage sont assez bonnes. La colle et la peinture y adhèrent assez bien, alors que son aptitude à l‟injection de préservatifs est très faible (Mullins et Mc Knight 1981). Il est utilisé principalement comme bois à pâte et comme bois d‟œuvre. On l‟emploie dans la construction générale (charpentes, revêtements, toitures, échafaudages, faux-planchers) et surtout pour les travaux de menuiserie, les contenants (surtout pour la nourriture, grâce à l‟absence de goût et d‟odeur qui le caractérise) et les tables d‟harmonie pour instruments de musique. Il sert aussi à la fabrication de contreplaqués, de traverses de chemin de fer et aux constructions navales (Panshin et de Zeeuw 1980; Mullins et Mc Knight 1981). Zhang et Koubaa (2009) présentent un portrait exhaustif des différentes possibilités d‟utilisation du bois de l‟épinette noire.
1.2. La coupe du bois
La coupe conventionnelle du bois résulte de l‟action de l‟arête tranchante d‟un outil sur une pièce de bois. L‟outil soumet le bois à une contrainte mécanique croissante jusqu'à sa rupture, ce qui provoque la formation de copeaux (figure 1.2). Les copeaux se détachent et se différencient entre eux par leur dimension. On retrouve ainsi entre autres de la sciure, des copeaux, des éclats et de la poussière de bois. La qualité de la surface obtenue suite à l'usinage est reliée à la formation et au type de copeaux (Hoadley 2000) de même qu‟au type de coupe, soit orthogonale ou périphérique.
Tableau 1.1. Propriétés physiques et mécaniques de l‟épinette noire á l‟état vert (d‟après
Jessome 1977).
propriété valeur
masse volumique basale (g/cm3) 0,406
retrait radial total (%) 3,8
retrait tangentiel total (%) 7,5
retrait volumique total (%) 11,1
module de rupture en flexion statique (MPa) 40,5 module d‟élasticité en flexion statique (MPa) 9100 contrainte maximale en compression parallèle au fil (MPa) 19,0 module d‟élasticité en compression parallèle au fil (MPa) 10100
dureté des côtés, contrainte maximale (N) 1680
cisaillement parallèle au fil (MPa) 5,49
Figure 1.2. Deformation du bois avant que l‟effort de coupe dépasse la résistance du bois
1.2.1. Types de coupe
1.2.1.1. La coupe orthogonale
Cette coupe est définie comme la situation dans laquelle l‟arête tranchante de l‟outil est perpendiculaire à la direction du mouvement de la pièce de bois et où la surface obtenue est un plan parallèle à la surface originale (Koch 1964). La scie à ruban, la scie circulaire et la trancheuse sont des exemples de machines qui travaillent sous cette forme de coupe.
McKenzie (1960) classe la coupe orthogonale en trois types, en employant deux chiffres, le premier indiquant l‟angle entre l‟arête tranchante et le fil du bois, et le second représentant l‟angle entre la direction de coupe et le fil du bois (figure 1.3).
1.2.1.1.1. Coupe en direction 90°-0°
Cette coupe est associée à l‟usinage du bois en direction parallèle au fil (figure 1.3). Le tranchage longitudinal et le rabotage manuel sont réalisés selon cette direction de coupe. D‟après Franz (1958), en coupe orthogonale 90°-0°, on génère trois types de copeaux, soit les types I, II et III.
Le copeau de type I (figure 1.4) est formé lorsque le bois se fissure en avant du couteau. À mesure que l‟outil de coupe avance, le copeau se déforme tel une poutre encastrée en porte-à-faux pour être détaché aussitôt que la contrainte de flexion excède celle de rupture du bois. Le fendage, qui suit la direction du fil, peut se propager au-dessous du plan de coupe, en générant une surface qui montrera du fil arraché. La formation de ce type de copeau est favorisée par l‟utilisation d‟un angle d‟attaque élevé (plus de 25°), ainsi que par une profondeur de coupe (épaisseur de copeau) assez grande et une teneur en humidité du bois près du point de saturation des fibres.
Figure 1.3. Principaux types de coupe orthogonale (selon Hoadley 2000).
Le copeau de type II (figure 1.5) se forme lorsque le mouvement de l‟outil de coupe déforme le bois en avant de l‟arête tranchante en compression parallèle au fil et cause des contraintes de cisaillement diagonales. Ainsi, la rupture du bois se produit le long d‟une ligne qui s‟étend à partir de l‟arête tranchante de l‟outil en provoquant la formation d‟un copeau en continu. Parmi les facteurs qui favorisent la formation du copeau de type II, on remarque des angles d‟attaque moyens (entre 10° et 25°), des faibles profondeurs de coupe, ainsi que des teneurs en humidité intermédiaires. La formation de ce type de copeau permet de générer une bonne qualité de surface.
Le copeau de type III (figure 1.6) tend à se former de façon cyclique, suite à des ruptures provoquées par compression et cisaillement parallèles au fil, devant de l‟arête tranchante du couteau. Le copeau formé, qui n‟a pas une forme précise, est généralement attrapé par la face d‟attaque et compacté contre celle-ci. Les conditions facilitant la formation de ce copeau sont l‟emploi des angles d‟attaque petits ou négatifs, du bois ayant une teneur en humidité très faible ou bien très élevée et l‟utilisation de couteaux émoussés. Les défauts associés au copeau de type III sont le grain pelucheux et le fil soulevé.
1.2.1.1.2. Coupe en direction 90°-90°
La coupe 90°-90° se présente lorsque l‟arête tranchante du couteau et la direction de coupe sont orientées perpendiculairement au fil du bois (figure 1.3). Les copeaux sont formés par le cisaillement transversal et par la flexion des fibres produits par le passage de l‟outil de coupe (Axelsson 1994). Les travaux reliés à ce type de coupe sont ceux qui sont faits avec les scies à ruban, les scies circulaires et les outils à coupe longitudinale.
Figure 1.4. Copeau de type I, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de 30º et à
1,52mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009).
Figure 1.5. Copeau de type II, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de 20º et à
0,38mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009).
Figure 1.6. Copeau de type III, obtenu en direction 90º-0º, à un angle d‟attaque de 10º et à
1.2.1.1.3. Coupe en direction 0°-90°
Cette coupe, réalisée en direction perpendiculaire au fil, est employée surtout pour l‟activité de déroulage traditionnel de billes ainsi que pour le tranchage (figure 1.3). Ce mode permet d‟usiner le bois avec un minimum d‟effort, les forces de coupe sont ainsi plus faibles qu‟en coupe 90º-0º.
Stewart (1979) signale qu‟avec ce type de coupe on obtient principalement deux types de copeaux. Le copeau type A, lequel ressemble au copeau type I de la coupe 90°-0°, est caractérisé par la propagation de fissures qui se produisent devant l‟outil de coupe et qui se casse comme une poutre encastrée en porte-à-faux. Le copeau de type B, lequel ressemble plutôt au copeau de type III en coupe 90°-0°, se caractérise par la présence de ruptures par compression et cisaillement qui ont lieu devant l‟outil de coupe. Il existe une transition graduelle du copeau de type B vers le type A lorsque l‟épaisseur de coupe augmente à un angle d‟attaque fixe (figure 1.7). Stewart (1979) a proposé l‟utilisation d‟un angle d‟attaque élevé combiné à une faible épaisseur de coupe pour obtenir une surface de bonne qualité.
1.2.1.2. La coupe périphérique
La coupe périphérique est produite par des couteaux installés sur un porte-outil rotatif. Les copeaux sont formés de façon intermittente, car l‟action de l‟arête tranchante n‟est pas continue comme dans le cas de la coupe orthogonale. La surface est formée par des traces de couteau générées par l‟engagement successif de chaque couteau. La coupe périphérique deviendrait orthogonale si le diamètre du porte-outil était égal à l‟infini. Le rabotage et le dégauchissage sont des procédés utilisant ce type de coupe.
Figure 1.7. Transition du copeau de type B vers un copeau de type A. Le copeau de type B
a été obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 0,25 mm de profondeur de coupe. Le copeau au centre a été obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 0,5 mm de profondeur de coupe. Le copeau de type A fut obtenu à un angle d‟attaque de 60º et à 1 mm de profondeur de coupe (adaptée de Stewart 1979).
Dans ce type de coupe, le mouvement combiné de la pièce du bois et de l‟outil produit un copeau en forme de virgule à épaisseur croissante. Il y a deux types de coupe périphérique: la coupe en avalant et la coupe en opposition. La coupe en avalant est celle dans laquelle le déplacement de la pièce et la trajectoire de l‟outil vont dans le même sens. Dans le cas de la coupe en opposition, le sens du déplacement de la pièce de bois est opposé à la trajectoire de l‟outil de coupe. Cette coupe génère une bonne qualité de surface étant donné que l‟on peut mieux contrôler la formation du copeau. En effet la coupe commence par la partie mince du copeau, puis le bois continuant à avancer et l‟outil à tourner, cette épaisseur augmente et passe par un maximum peu de temps avant que le couteau sorte du bois. Par contre, elle consomme plus d‟énergie que la coupe en avalant (Koch 1964; Hernández 2007).
1.2.1.3. La coupe oblique
La coupe oblique, contrairement à la coupe orthogonale, est faite avec un couteau ayant une arête tranchante orientée obliquement à la direction du mouvement, ce qui génère des changements dans la géométrie de l‟outil de coupe, et en conséquence dans les efforts de coupe et la qualité de surface (de Moura et Hernández 2007).
L‟angle d‟inclinaison entre l‟arête tranchante et la direction de coupe constitue l‟angle oblique. Kivimaa (1950) signale que lorsqu‟on coupe en direction parallèle au fil, la force
parallèle et l‟angle oblique ont une corrélation négative. Cependant, lorsqu‟on coupe à travers le fil, la force parallèle reste stable ou augmente lorsque l‟angle oblique augmente.
1.2.2. Efforts de coupe
L‟usinage traditionnel est un processus qui implique le dépassement de la contrainte de rupture. La contrainte est imposée au bois par action humaine ou mécanique à l‟aide d‟un outil de coupe. La direction et l‟orientation des efforts de coupe sont contrôlées par le type d‟outil de coupe et par le type de travail conduit par l‟opérateur ou la machine.
1.2.2.1. Composantes des efforts de coupe
La figure 1.8. montre la géométrie de la coupe orthogonale et les composantes de la force de coupe résultante.
Terminologie de la figure 1.8 :
α Angle d‟attaque. Angle entre la face d‟attaque de l‟outil et un plan perpendiculaire à la direction du mouvement de l‟outil.
β Angle du couteau. Angle entre la face d‟attaque et la face de dépouille. γ Angle de dépouille. Angle entre la face de dépouille et la surface de
travail derrière l‟arête tranchante. w Largeur du copeau non déformé.
t Épaisseur du copeau avant d‟être détaché de la pièce de bois. Fp Force parallèle de l‟outil.
Fn Force normale de l‟outil.
R Résultante des composantes normale et parallèle.
ρ Angle de la force résultante. Angle dont la tangente est égale à la force normale de l‟outil divisée par la force parallèle de l‟outil.
F Force de friction. Force qui agit dans l‟interface entre l‟outil et le copeau. N Force normale de friction. Force normale à la face de l‟outil.
λ Angle entre la résultante (R) et la force normale de friction (N). Angle dont sa tangente est égale à la force de friction divisée par la force normale de friction.
Selon Kock (1964), deux types de forces de coupe interviennent en coupe orthogonale :
Fp Force parallèle de l‟outil, laquelle agit en direction parallèle au mouvement relatif de l‟outil.
Fn Force normale de l‟outil, laquelle est perpendiculaire à la force parallèle et perpendiculaire à la surface générée.
Pour séparer un copeau d‟une pièce de bois, l‟outil de coupe doit appliquer une certaine force sur la pièce afin de vaincre la résistance de celle-ci. Cette force, appelée force résultante peut être divisée en deux composantes, soit une force parallèle à la direction du mouvement de l‟outil de coupe et une force normale à celle-ci. La force parallèle détermine principalement la consommation d‟énergie et la force normale donne de l‟information sur la pression que le couteau exerce sur la pièce du bois, ou inversement. Dépendamment de la direction de la force résultante, la force normale peut être dirigée du couteau vers la surface ou de la pièce de bois vers le couteau. Si le couteau exerce de la pression sur la pièce de bois, la force normale sera positive. En revanche, si c‟est le copeau qui tire sur la pièce de bois la force normale sera négative (Kivimaa 1950). Les forces normales positives sont reliées à la présence de fil arraché tandis que les forces normales négatives sont reliées plutôt à la production du fil pelucheux ou laineux (Palmqvist 2003).
En usinage, on remarque souvent une troisième force appelée force latérale. Cette dernière est générée par certains facteurs tels que des singularités dans la structure du bois, comme les changements de l‟orientation du fil, la présence de nœuds et les variations de la masse volumique du bois, de même que par l‟usure de l‟outil de coupe (Axelsson 1994).
Figure 1.8. Géométrie de la coupe orthogonale et des composantes de la force de coupe
résultante (selon Woodson et Koch 1970).
1.2.2.2. Mesure des efforts de coupe
Selon Marchal et al. (2009), les efforts de coupe peuvent être mesurés par des mesures directes et indirectes. Les mesures directes sont en général faites par des détecteurs placés sur l‟outil ou sur la machine, selon le type de capteur. Ces détecteurs peuvent être des capteurs de pression, des capteurs à jauges de résistance ou des capteurs piézoélectriques. Les deux premiers sont plus économiques mais moins efficaces alors que le dernier est plus cher et plus rigide. Ces capteurs sont utilisés dans la fabrication de dynamomètres, qui sont des dispositifs conçus pour la mesure des efforts de coupe. De leur côté, les mesures indirectes impliquent que les capteurs ne sont pas en contact avec la machine. Les efforts dans ce cas peuvent être calculés par courant de Foucault.
Lors de l‟analyse du procédé de coupe, les efforts de coupe sont choisis fréquemment comme les principaux facteurs utilisés pour la description physique du procédé. La mesure des efforts de coupe permet l‟élaboration de modèles physico-mécaniques pour mieux comprendre le phénomène observé pendant la coupe. En même temps, ces modèles permettent de designer et d‟optimiser les procédés, les machines, les outils et la préparation du bois à usiner. L‟analyse des efforts de coupe sert à optimiser la géométrie de l‟outil,
dont l‟angle d‟attaque, l‟angle de dépouille, l‟angle du couteau, la direction de l‟arête tranchante de l‟outil et le design de la tête porte outil (Marchal et al. 2009).
1.2.3. Facteurs affectant les efforts de coupe
Koch (1964) mentionne que la force exercée par l‟outil, en coupe orthogonale est influencée par une série de facteurs, tels que les facteurs reliés à l‟alimentation (profondeur de coupe, largeur de coupe, vitesse d‟amenage, orientation du fil par rapport à la coupe), les facteurs reliés à l‟outil de coupe (angle d‟attaque, angle de dépouille, angle du couteau, affûtage) et les facteurs reliés à la pièce de bois (espèce, teneur en humidité, température).
La masse volumique est un des facteurs reliés à la pièce du bois qui affecte les efforts de coupe. Woodson (1979) signale que les efforts de coupe sont proportionnels à la masse volumique du bois. Ainsi, la coupe du bois de tulipier de Virginie (Liriodendron tulipifera L.), ayant une masse volumique de 0,376 g/cm3, génère des efforts de coupe plus faibles que la coupe du bois de chêne rouge (Quercus falcata Michx.), ayant une masse volumique de 0,618 g/cm3.
1.2.3.1. Les angles de coupe
L‟angle du couteau est fonction de l‟angle d‟attaque et de l‟angle de dépouille, il diminue à mesure que les angles d„attaque et de dépouille augmentent. Ainsi, une diminution de l‟angle du couteau, à la faveur d‟une augmentation dans l‟angle d‟attaque, permet de réduire les efforts de coupe. Koch (1985) signale que peu importe le procédé de coupe orthogonale, l‟angle d‟attaque affecte énormément les efforts de coupe, ces deux facteurs étant corrélés négativement. Cependant, une grande augmentation de l‟angle d‟attaque pourrait générer un angle de l‟outil insuffisant pour supporter la contrainte générée pendant la coupe (Stewart et Parks 1980).
L‟angle du couteau a également une forte influence sur l‟usure de l‟outil. Lorsque l‟arête tranchante est émoussée, l‟angle d‟attaque effectif diminue et, de ce fait, les efforts de coupe augmentent. Par ailleurs, l‟angle de dépouille n‟a pas un effet critique sur les efforts de coupe. Cependant, lorsqu‟il est plus petit que 15º les efforts de coupe augmentent modérément. Pour les couteaux émoussés, l‟angle de dépouille effectif diminue et lorsqu‟il devient négatif les efforts de coupe augmentent. Par contre, si l‟angle de dépouille est trop grand et l‟angle d‟attaque demeure constant, l‟usure de l‟outil sera plus rapide.
Lors du tournage des panneaux de fibres de densité moyenne, les efforts de coupe augmentent rapidement lorsqu‟on diminue les angles de dépouille et d‟attaque. Si l‟angle de dépouille est de 5°, la force normale dépasse même la force parallèle. Alors, si l‟on coupe avec un angle d‟attaque de 10°, il faudrait travailler avec un angle de dépouille d‟au moins 10° pour avoir un usinage performant. Des angles d‟attaque plus petits ont besoin de dépouilles plus grandes. Ainsi, des angles d‟attaque inférieurs à 10° requièrent des angles de dépouille d‟au moins 15°, alors que des angles d‟attaque supérieurs à 25° nécessitent des angles de dépouille de 5° à 10° (Stewart 1991).
Néri (1998) a analysé le comportement des efforts de coupe lors de la coupe orthogonale du bois de trois espèces d‟eucalyptus à l‟état saturé. Les orientations évaluées furent de 90°-0° et 90°-90° et les angles d‟attaque furent de 10°, 20°, 30° et 40°. Il confirme que, pour les deux orientations, la force parallèle diminue à mesure que l‟angle d‟attaque augmente. La force normale est positive lorsque la coupe est faite avec des petits angles d‟attaque et elle devient négative au fur et à mesure que ces angles augmentent.
1.2.3.2. L’orientation de coupe
Pour séparer un copeau d‟une pièce de bois, il faut d‟abord provoquer une rupture structurale à la jonction entre le copeau et la pièce de bois. Étant donné que la résistance du bois varie avec l‟orientation du fil, les caractéristiques du copeau, les efforts de coupe et la qualité de la surface seront très affectés par l‟orientation de la coupe (Koch 1985). Ainsi, du
bois d‟érable à sucre raboté à travers le fil, avec grands angles d‟attaque génère des efforts de coupe plus faibles que celui suivant le fil (Stewart 1970).
D‟autres travaux montrent que les efforts de coupe requis pendant la coupe en direction 90 -90 sont plus élevés que pour la direction 90 -0 , et ces derniers sont plus élevés que pour la direction 0 -90 . Dans le cas de cette dernière direction, lorsque la coupe s'effectue suivant les rayons, les forces parallèles sont 12% plus élevées que lorsqu'elle est faite perpendiculairement à ces derniers. Ceci a été observé sur du bouleau finlandais (Betula
verrucosa) à une teneur en humidité de 12%, un angle d‟attaque de 35 et une profondeur
de coupe de 0,1 mm. Ces écarts ont été attribués à la résistance des rayons (Kivimaa 1950). À ce sujet, Reiterer et al. (2002) ont évalué l‟influence des rayons sur les propriétés mécaniques et de rupture du bois de chêne et de frêne. Le bois orienté en direction radiale fut plus résistant et rigide que le bois orienté en direction tangentielle. Ainsi, lorsque le volume de rayons par rapport au volume de l‟échantillon augmente, la force de rupture nécessaire pour séparer un échantillon en deux parties augmente aussi. Ces effets sont toujours plus grands pour la direction radiale que pour la direction tangentielle. Donc, la disposition des éléments ligneux par rapport à l‟arête tranchante du couteau et à la direction de coupe a une importante influence sur les propriétés mécaniques du bois, et en conséquence sur les efforts de coupe requis lors de la coupe.
1.2.3.3. La profondeur de coupe
En coupe orthogonale, la profondeur de coupe et l‟épaisseur du copeau non déformé sont des synonymes (Koch 1985). L‟épaisseur du copeau est ainsi le facteur qui influence le plus les efforts de coupe (Jodin 1994). En coupe orthogonale du type 90º-0º, les angles d‟attaque supérieurs à 25º produisent en général des forces normales négatives, notamment à des grandes profondeurs de coupe (Franz 1958; Woodson et Koch 1970).
Neri (1998) a effectué des mesures des efforts en coupe orthogonale du bois d‟eucalyptus à l‟état saturé. Il signale qu‟en coupe 90°-0° la force parallèle augmente lorsque la profondeur de coupe augmente et que cet effet augmente avec la diminution de l‟angle
d‟attaque. D‟autre part, l‟effet de la profondeur de coupe sur la force normale dépend de l‟angle d‟attaque. Ainsi, pour un angle d‟attaque de 10°, la force normale augmente de manière positive lorsque la profondeur de coupe augmente, mais pour les angles 20° et 30°, la force normale est de plus en plus négative lorsque la profondeur de coupe augmente. D‟autre part, en coupe orthogonale 90°-90°, l‟effet de la profondeur de coupe sur les efforts de coupe est affecté par l‟angle d‟attaque employé.
En coupe oblique du bois d‟érable à sucre, de Moura et Hernández (2007) ont montré que les forces parallèle, normale et latérale augmentent à mesure que la profondeur de coupe augmente. La force parallèle, ainsi que la force normale, sont beaucoup plus affectées par la profondeur de coupe et l‟angle oblique, que par l‟angle d‟attaque. La force latérale est par contre plus affectée par la profondeur de coupe et l‟angle d‟attaque que par l‟angle oblique. La force parallèle fut la plus sensible des trois composantes des forces.
1.3. La qualité de surface du bois
1.3.1. Définition
Selon Triboulot (1984), d‟un point de vue mathématique, une surface peut être décomposée en fonctions polynomiales, mais pour le bois, un certain nombre de profils représentatifs des surfaces sont extrêmement complexes à définir, et pourtant fréquemment rencontrés (zone de vaisseaux, arrachement de fibres ou paquets de fibres). Il faut en conséquence introduire la notion d‟échelle dans la mesure, et considérer les dimensions des éléments anatomiques du bois. La surface se définit alors par rapport au niveau des dimensions minimales des éléments que l‟on veut apprécier (microfibrilles, fibres, trachéides, vaisseaux).
La qualité de surface du bois usiné est le résultat de la géométrie de la coupe, ainsi que du type de copeau formé. Par exemple en coupe périphérique, les surfaces sont meilleures lorsque la largeur et la hauteur de l‟onde d‟usinage sont minimales. Cela peut être accompli
en augmentant le diamètre du cylindre de coupe et le nombre de couteaux rectifiés, ou en diminuant la vitesse d‟avance (Koch 1985).
1.3.2. Défauts de la surface
Parmi les défauts les plus fréquents générés lors de l‟usinage du bois, on retrouve les suivants:
1.3.2.1. Fil arraché
C‟est un défaut qui se produit lorsque des particules du bois se cassent au-dessous de la surface, habituellement quand le bois fend devant l‟outil en suivant le fil du bois. Au rabotage 90°-0°, le fil arraché se présente généralement lorsqu‟on coupe du bois ayant une faible résistance à la traction perpendiculaire et au fendillement, de même qu‟une résistance élevée à la compression axiale. D‟autre part, des angles d‟attaques très grands peuvent augmenter la sévérité de ce défaut, de même que des profondeurs de coupe très grandes et du bois très sec ou très humide. Par rapport à la teneur en humidité du bois, on note une augmentation du fil arraché au fur et à mesure que la teneur en humidité augmente. Celui-ci est aussi fréquent lorsque la teneur en humidité est inférieure à 5% (Stewart 1980).
Le fil arraché est le défaut qui affecte le plus la qualité de surface. En coupe 90°-0°, il résulte de la formation des copeaux du type I, qui sont générés lorsque la fente, produite lors de la coupe, avance en dessous de la surface de coupe (Koch 1985). Ce défaut peut être aussi causé par des couteaux mal affûtés ou bien détériorés par l‟usage. Il est aussi influencé par la vitesse d‟amenage, ainsi que par l‟orientation du fil dans le bois (Panshin et de Zeeuw 1964). En coupe 0°-90°, le fil arraché se produit de manière similaire à celui de la coupe 90°-0°, avec, dans ce cas, la formation des copeaux de type A.
1.3.2.2. Fil laineux ou fil pelucheux
Ce défaut se produit lorsque des groupes de fibres ne sont pas proprement coupées, ce qui provoque leur soulèvement au-dessus de la surface. Le fil laineux est aussi généré quelque fois lors du ponçage et occasionnellement lors du rabotage. Il devient plus visible lorsque les cellules gonflent par action de l‟humidité de l‟air ambiant. Ce sont les bois de feuillus qui sont plus susceptibles de développer ce type de défaut comparativement aux bois de conifères (Panshin et de Zeeuw 1964).
Les facteurs d‟usinage qui causent de la compression tels que les rouleaux presseurs, les couteaux émoussés, la rectification exagérée des couteaux et les faibles angles d‟attaque augmentent la probabilité d‟obtention du fil pelucheux (Stewart 1980).
1.3.2.3. Fil soulevé
Ce défaut est produit par le fait que le bois final des cernes se soulève davantage par rapport au reste de la surface, suite à un comportement viscoélastique inégal des bois initial et final. Il peut aussi se rendre plus visible avec les changements ultérieurs de la teneur en humidité du bois (par des phénomènes de retrait et gonflement). Il se produira plus fréquemment lors de l‟usinage des bois ayant une grande hétérogénéité intra-cerne et/ou avec des outils de coupe émoussés. Cette distorsion peut également arriver lorsque les pièces de bois sont usinées à faibles teneurs en humidité pour être ensuite exposées à des conditions hygrothermiques élevées (Panshin et de Zeeuw 1964).
1.3.3. Topographie de la surface
La topographie d‟une surface représente une superposition d‟irrégularités avec différentes longueurs d‟onde. Elle indique le niveau de rugosité et d‟ondulation, ainsi que l'erreur de forme. La rugosité contient les irrégularités topographiques de faible longueur d‟onde, tandis que l‟ondulation comporte les irrégularités dont la longueur d‟onde est plus
importante (Mummery 1992; Khazaeian 2006). Quant à elle, l‟erreur de forme correspond à la portion du profil dont la longueur d‟onde est la plus grande.
1.3.3.1. Les profils d’analyse
L‟état d‟une surface peut être, a priori, caractérisé par un profil représentatif. Mais le bois étant un matériel hétérogène et anisotrope, il faudrait prélever plusieurs profils afin de complémenter l‟information donnée par chaque profil, et ainsi compter sur une évaluation plus représentative et exacte de ce qui se passe dans la surface (Triboulot 1984).
On peut différencier 4 types de profils: le profil total, le profil primaire, le profil d‟ondulation et le profil de rugosité (figure 1.9). Le premier est le profil de la surface tel qu‟il est capté par l‟instrument de mesure tout au long de sa trajectoire et sert de point de départ à tous les calculs. Le profil primaire se distingue du profil total par le fait qu‟il est mis à niveau sur la longueur d‟exploration, c‟est-à-dire, la pente générale du profil a été supprimée. Par la suite, il suffit d‟appliquer un filtre pour délimiter les profils d‟ondulation et de rugosité. Cette délimitation va dépendre des conditions de mesure et de filtrage employées lors de l‟évaluation topographique (Khazaeian 2006).
L'importance de la caractérisation des profils est qu‟elle permet de faire une évaluation numérique de la surface en utilisant des paramètres standards. Cette évaluation quantitative permet ainsi de faire des comparaisons fiables entre différentes surfaces (Gurău et al. 2006).
Figure 1.9. Profils d‟evaluation de la qualité de surface. Pour le bois, la longueur de base la
plus utilisée frequemment pour separer les profils d‟ondulation et de rugosité est 2,5 mm (adapté de Mummery 1992).
1.3.3.2. Appareils de mesure
Plusieurs appareils sont disponibles pour mesurer l‟état de surface du bois. Ces derniers peuvent être classés selon deux types: ceux qui permettent une évaluation par contact entre le bois et le dispositif de mesure (rugosimètres mécaniques, exploration par palpage mécanique, etc.), et ceux qui travaillent sans contact (méthode stéréo photométrique, méthode optique: microscope confocal chromatique, triangulation laser, etc.). Cependant, parmi toutes ces options seulement certaines sont applicables au bois.
La surface du bois a été principalement évaluée par les technologies par contact, tel que les rugosimètres à palpeur (Mothe 1987; Zhao 1995). Ces appareils de mesure effectuent un «palpage» mécanique le long d‟un profil en déplaçant un palpeur. Triboulot (1984) suggère de faire attention au diamètre de la pointe du palpeur et à la pression appliquée par la pointe sur la surface, lesquels peuvent influencer la prise de données en générant une mauvaise estimation de la rugosité.
Les technologies sans contact ont l‟avantage de mesurer la surface sans risque de les rayer et de fausser ainsi les mesures. Elles atteignent les performances des capteurs à contact en termes de résolution et les surpassent parfois sur certains points tels que la rapidité et la facilité de la mesure. Les appareils optiques les plus répandus dans l‟industrie du bois sont ceux basés sur la triangulation laser (Funck et al. 1992). Ce type de capteur utilise un laser qui projette un point de lecture sur la surface à mesurer. La position du point sur la surface est repérée par un détecteur disposé sur le côté à un angle donné. L‟altitude est déduite à partir de la connaissance de la parallaxe entre le laser et le point d‟observation. Bien que la triangulation laser ait donné de bons résultats lors de l‟évaluation des surfaces du bois, Sandak et Tanaka (2003) signalent que les mesures de rugosité à l‟aide de cette technique seront affectées par la densité et la couleur du bois.
Par ailleurs, d‟autres technologies sans contact existent, lesquelles permettent des analyses 2D et 3D, comme le microscope confocal chromatique. Ce type de capteur utilise comme senseur un faisceau de lumière blanche qui est émis sur la surface à travers un objectif chromatique, qui disperse les longueurs d‟onde de la lumière le long de l‟axe optique. L'altitude d‟un point en la surface est localisée par un spectromètre qui détermine quelle longueur d'onde est focalisée sur la surface. Cet appareil a une excellente résolution verticale et les mesures sont faites à haute vitesse (Digital Surf 2009).
1.3.3.3. Les filtres
Le filtrage est peut-être le facteur le plus décisif lors de l‟évaluation de la topographie de surface, car il permet la séparation des composantes topographiques, telles que l‟ondulation, la rugosité et les caractéristiques de forme d‟un profil de surface. Les différences entre les composantes de la texture de surface sont basées sur la longueur d‟onde de la surface. Ce qui sera considéré comme rugosité pour une pièce de bois pourrait être pris comme ondulation ou erreur de forme pour d‟autres matériaux (Khazaeian 2006). Le choix de la méthode de filtrage devient ainsi un aspect important lors l‟évaluation de la
qualité de surface. En fixant adéquatement une certaine longueur de base et en utilisant un filtre adéquat, il est possible de séparer de façon satisfaisante la rugosité de l‟ondulation.
Il existe plusieurs types de filtres, toutefois la plupart ont été développés pour l‟analyse de surface des métaux, surfaces beaucoup plus lisses que celles du bois. Le filtre gaussien définit par la norme ISO 11562 (1996) est celui utilisé par défaut pour le filtrage des profils. Cependant, il a pour effet de créer de fausses amplitudes lorsque la rugosité due à l‟anatomie du bois est plus grande que celle due à l‟usinage (Krisch et Csiha 1999; Gurău
et al. 2005a, c, 2006). Dans ce cas, la ligne moyenne est perturbée par les saillies et creux
locaux modifiant ainsi légèrement la valeur des paramètres d‟état de surface. Le filtre double-gaussien (ISO 13565 -1 1998) a alors été conçu pour corriger la tendance de ce dernier à être perturbé par les creux locaux. Il s‟agit d‟un algorithme en plusieurs étapes, basé sur deux filtrages successifs et une opération d‟écrêtage des creux permet d‟améliorer le comportement du filtre près des creux.
Même si n‟importe quel filtre altère la forme réelle du profil (Sandak et Tanaka 2003), il existe des filtres qui seront plus adéquats pour les surfaces de bois que d‟autres. Ainsi, le filtre Gaussien Robuste (ISO 16610-31) est considéré comme le plus approprié, car il a une bonne précision lors de l‟analyse de surfaces irrégulières (Fujiwara et al. 2004; Gurău et al. 2005b). Étant plus robuste, ce filtre permettra une meilleure approximation de la topographie réelle, c‟est-à-dire avec moins de distorsions de la réalité (Brinkmann et al. 2000).
La sélection adéquate de la longueur de base est aussi très importante, parce qu‟elle permet de discriminer la rugosité de l‟ondulation. Le choix de la longueur de base dépend théoriquement de la nature du profil et de sa structure (Zani 2003). D‟après Krisch et Csiha (1999), la sélection de la longueur de base devient très critique quand le filtre Gaussien Robuste est utilisé pour le procédé de filtrage. Ils ont ainsi rapporté que la distorsion du profil de rugosité est supérieure lorsque le profil est obtenu avec une longueur de base courte. Dans le cas du bois, une longueur de base de 2,5 mm est, selon Gurău et al. (2006), la plus convenable, car elle limite la création de fausses amplitudes.
1.3.3.4. Paramètres d’évaluation
Les principaux paramètres généraux définis par la norme ISO 4287 (1997) sont présentés au tableau 1.2. La rugosité moyenne (Ra) est probablement le paramètre le plus utilisé lors des études sur la topographie de surface. Ra correspond à la moyenne arithmétique de toutes les ordonnées du profil par rapport à une ligne moyenne dans une longueur de base. La rugosité moyenne quadratique (Rq) permet d‟augmenter la sensibilité aux valeurs extrêmes du profil, i.e. sommets et creux. Ce paramètre est la racine carrée de la moyenne des carrés des déviations par rapport à la moyenne. Khazaeian (2006) indique que Ra et Rq représentent une mesure globale de la topographie de surface et que leur variation est presque identique sauf que Rq est plus sensible aux défauts comme le fil pelucheux. Par ailleurs, les paramètres d‟ondulation Wa et Wq semblent concorder à la vibration de la pièce de bois ou de l‟outil de coupe pendant l‟usinage.
Le paramètre Wz est la hauteur moyenne du profil, qui représente la moyenne des amplitudes entre les hauteurs des saillies et les profondeurs des creux sur l‟ensemble des longueurs de base considérées. De même, le paramètre Rp permet de déterminer la plus grande hauteur de sommets et le Rv la profondeur maximale des creux (Mummery 1992; ISO 4287 1997).
Pour l'étude de la forme et de la distribution des aspérités, des paramètres statistiques tels que les coefficients d'asymétrie (Rsk) et d'aplatissement (Rku) peuvent être utilisés. Ces paramètres sont calculés à partir de la courbe de distribution d'amplitude, qui représente la distribution des valeurs des déviations le long de l'amplitude du profil. Une valeur négative de Rsk indique une plus grande concentration de matériau aux sommets du relief de rugosité, tandis qu'une valeur positive révèle la prédominance de matériau à la base du profil. D'autre part, une valeur de Rku inférieure à 3 signifie que les sommets et les creux sont petits et nombreux, tandis qu'une valeur supérieure à 3 indique la présence d'aspérités grandes, larges et moins nombreuses (ISO 4287-1 1984; Mummery 1992).
Tableau 1.2. Paramètres généraux, norme ISO 4287 (1997).
paramètre désignation définition
Rp, Wp, Pp Hauteur de saillie maximale du profil
Distance du point le plus haut du profil à la ligne moyenne, à l‟intérieur de la longueur de base.
Rv,Wv, Pv Profondeur de creux maximal du profil
Distance du point le plus bas du profil à la ligne moyenne, à l‟intérieur de la longueur de base.
Rz, Wz, Pz Hauteur maximale du profil
*Calculé par rapport à la longueur de base
Rt, Wt, Pt Hauteur total du profil *Calculé par rapport à la longueur total d‟évaluation
Ra, Wa, Pa Écart moyen arithmétique du profil
Rq, Wq, Pq Écart moyen quadratique du profil
Rsk, Wsk, Psk Facteur d'asymétrie du profil
Rku, Wku, Pku Facteur d'aplatissement du profil Où:
l = lp, lr ou lw, dépendent de l‟analyse effectuée.
Rsk, Psk, et Wsk, ainsi que Rku, Pku et Wku sont définis de façon similaire.
Les paramètres sont constitués d'un préfixe en majuscule et d'un suffixe désignant la nature du paramètre. Le préfixe est P pour les profils bruts, R pour les profils de rugosité et W pour les profils d'ondulation.
1.3.4. Facteurs affectant l’état de surface
L‟état de surface est affecté autant par les paramètres d‟usinage que par les caractéristiques anatomiques, physiques et mécaniques de l‟espèce de bois. Parmi les paramètres d‟usinage qui ont une influence sur l‟état de surface, on retrouve le régime de coupe (vitesse de coupe, profondeur de passe, etc.), la géométrie de l‟outil de coupe (angle d‟attaque, angle de dépouille et angle de l‟outil), l‟état de l‟arête tranchante et de la face d‟attaque, l‟usure de l‟outil, la température, la rigidité des éléments des machines d‟usinage, la présence ou absence d‟une barre de pression, etc. (Triboulot 1984).
L‟effort de coupe est un facteur déterminant dans l‟apparition de défauts tels que le fil arraché et le fil pelucheux. Lors de son étude sur les efforts de coupe en coupe périphérique, Palmqvist (2003) rapporte que la force parallèle fourni de l‟information sur la coupe proprement dite, donc sur la consommation d‟énergie. Par ailleurs, la force normale, qui peut présenter des valeurs positives et négatives, est plus reliée à la qualité de surface produite par la coupe. Ainsi, les valeurs positives de la force normale, qui indiquent une action de traction sur la pièce de bois, sont liées à la présence de fil arraché, tandis que les valeurs négatives de cette force, indiquant une action de compression sur le bois, sont liées au fil pelucheux.
Le rabotage à travers le fil du bois de feuillus de faible densité fait avec de hautes vitesses d‟amenage ou à des petits angles d‟attaque, génère une mauvaise qualité de surface. Une faible densité implique une faible résistance mécanique du bois, ce qui favorise la formation des fibres écrasées et déchirées (Stewart 1975). En outre, en coupe périphérique, la rugosité augmente linéairement au fur et à mesure que la vitesse d‟avance augmente (Iskra et Hernández 2009).
1.3.4.1. Les angles de coupe
Peu importe le type de coupe orthogonale, l‟angle d‟attaque influence le type de copeau produit et la rugosité de la surface. Lorsque l‟arête tranchante est émoussée, l‟angle
d‟attaque effectif diminue, ce qui modifie la formation du copeau. L‟angle de dépouille n‟a pas un effet critique sur la formation du copeau, mais lorsqu‟il devient négatif, la qualité de la surface est affectée par la présence de grain pelucheux (Koch 1985) et de cellules écrasées (Naderi et Hernández 1999; Hernández et Naderi 2001; Hernández et de Moura 2002; Hernández et Rojas 2002).
En coupe orthogonale à travers le fil (0º-90º), la qualité de surface s‟améliore au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente (Stewart 1975; Stewart et Parks 1980) et que la profondeur de coupe diminue (Stewart 1979). Cela est plus évident lorsque la coupe est faite avec des angles d‟attaque supérieurs à 60°. Lors de la coupe avec des angles d‟attaque plus petits (30° à 40°), des copeaux fragmentés se sont produits à cause d‟une compression perpendiculaire au fil permanente. À de grands angles d‟attaque, le copeau commence son roulement après la rupture initiale à partir de l‟arête tranchante, et par la suite la compression perpendiculaire au fil est notablement réduite, spécialement en coupes minces. Par conséquent, le bois est moins écrasé lorsqu‟on fait des coupes superficielles avec de grands angles d‟attaque, ce qui génère des surfaces de meilleure qualité (Stewart 1979).
Lorsque le tournage des échantillons de panneaux de fibres de densité moyenne est fait avec un faible angle de dépouille (i.e. 5º), la force normale augmente. Cela génère une grande friction entre l‟outil de coupe et la pièce, ce qui augmente la température dans la zone de coupe, en provoquant une surface endommagée par la présence des défauts tels que le fil arraché et le fil pelucheux. En général, des angles de dépouille insuffisants, combinés avec des petits angles d‟attaque, augmentent les défauts de surface. On doit donc usiner avec un angle de dépouille suffisant afin d‟obtenir une bonne qualité de surface, notamment lorsqu‟on travaille avec des angles d‟attaque de 10º ou moins (Stewart 1991).
1.3.4.2. L’orientation de coupe
Le rabotage à travers le fil des bois de feuillus génère des marques de couteaux moins importantes, du fil arraché plus léger et une rugosité plus faible que le rabotage suivant le fil (Stewart 1970, 1971). Cela serait le résultat d‟une séparation plus facile des fibres ainsi