La qualité de surface du bois

La qualité de surface du bois

La coupe orthogonale du bois

La coupe conventionnelle du bois est définie comme étant l’action de l’arête tranchante d’un outil sur une pièce de bois, qui produit des copeaux de dimensions variables. La formation de ces copeaux dépendra entre autres de la géométrie de l’outil, des propriétés du bois et de la direction de coupe par rapport à l’orientation des éléments ligneux. La qualité de la surface obtenue suite à l’usinage sera ainsi reliée à la formation des copeaux. L’usinage est alors un procédé de déformations, contraintes et ruptures (Hoadley 2000). Pour fins d’analyse, on distingue deux modes principaux de coupe, soit les coupes orthogonale et périphérique. La coupe orthogonale décrit une action dans laquelle l’arête tranchante de l’outil est perpendiculaire à la direction du mouvement de la pièce de bois, et où la surface crée est parallèle à l’originale.

L’orientation et la direction de la force sont contrôlées par le type d’outil de coupe et par la machine. L’outil présente une certaine géométrie tandis que le bois a des propriétés physiques et mécaniques particulières. La direction du mouvement de l’outil de même que sa forme déterminent le développement des contraintes imposées au bois et, par conséquent, la manière dont la rupture ou « coupe » est réalisée. McKenzie (1960) décrit les principales situations qui peuvent se présenter en coupe orthogonale avec une notation comportant deux chiffres (figure 1.1). 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 celle du fil. Il y a donc trois principaux types de coupe orthogonale de base: 90º-0º, 90º-90º +et 0º-90º+

En coupe orthogonale, on distingue trois angles de coupe principaux (figure 1.2), soit : l’angle d’attaque (α), l’angle de dépouille (γ) et l’angle de l’outil (β). Le premier affecte la pénétration de l’arête tranchante dans le bois et intervient lors du dégagement du copeau. Un angle α faible provoque un effort important dans le bois et l’outil gratte le bois plutôt qu’il ne le coupe. Un angle α important diminue les efforts mais tend à provoquer l’arrachement des fibres. L’angle de dépouille γ sert à éviter le talonnement de l’outil sur le bois. S’il est trop faible, la face de dépouille va frotter sur le bois, provoquant de l’échauffement et l’usure de l’outil. S’il est trop grand, l’arête tranchante devient plus fragile. Finalement, le troisième angle β est complémentaire aux deux précédents et conditionne la résistance de l’outil à l’usure. Les angles les plus adéquats sont choisis en fonction du type d’usinage, du matériau usiné et de la composition de l’outil (Jodin 1994).

Efforts induits lors de la coupe orthogonale du bois

La force de coupe résultante qui agit sur le bois peut être décomposée en une force parallèle (FP) et une force normale (FN) par rapport à la surface générée (figure 1.2). La magnitude et la direction des composantes parallèle et normale de la force résultante vont dépendre des divers facteurs propres à l’outil de coupe, aux conditions de travail ainsi qu’au matériau travaillé (Koch 1985). Parmi les facteurs reliés à l’outil, on peut mentionner la vitesse de coupe, les angles d’attaque (α), de dépouille (γ) et de l’outil (β), l’état d’affutage de l’outil, la friction entre le copeau et la face d’attaque de l’outil et la vibration induite durant l’usinage. Hernández et Rojas (2002) et Hernández et de Moura (2002) ont remarqué que les forces de coupe augmentent avec l’usure des outils de coupe. Par ailleurs, les forces diminuent avec l’augmentation de l’angle d’attaque (Woodson et Koch 1970, Stewart 1977). Également, les facteurs d’amenage ( la hauteur de coupe, centrage de la bille et l’orientation de fil du bois par rapport à la coupe) et ceux reliés au bois affectent les forces impliquées lors de la coupe.

Coupe 90º-0º

La coupe orthogonale en direction 90º-0º est présente dans tout travail du bois effectué suivant la direction parallèle au fil, par exemple, dans des procédés comme le tranchage longitudinal et le rabotage manuel. Franz (1958) a étudié l’usinage de ce genre de coupe et a identifié trois types de copeaux : I, II et III. Le copeau de type I (figure 1.3) se forme lorsque les conditions de coupe sont telles que le bois fend devant le tranchant du couteau formant un copeau qui est ensuite séparé, tel une poutre encastrée en porte-à-faux, quand la contrainte de flexion excède la contrainte de rupture du bois. Le copeau produit par fendage suit le fil du bois de telle manière qu’il peut se former même en dessous du plan de coupe provoquant ainsi un défaut du type fil arraché. L’emploi d’un angle d’attaque élevé (supérieur à environ 25º), de même qu’une épaisseur de copeau trop grande favorisent la formation des copeaux de type I.

Le copeau de type II (figure 1.4) se forme dans des conditions plus limitées. Le mouvement de l’outil déforme le bois devant l’arête tranchante en compression longitudinale et provoque des contraintes de cisaillement diagonales. La rupture du bois se produit le long d’une ligne qui s’étend à partir de l’arête tranchante de l’outil, formant ainsi un copeau en continu. Les principaux facteurs qui permettent la formation de ce type de copeau sont l’emploi d’angles d’attaque entre 10º et 25º et de faibles épaisseurs de coupe. Le copeau de type II est obtenu, généralement, lorsque la force normale de coupe est proche de zéro ou légèrement négative (Franz 1958).

Coupe 0º -90º

Ce type de coupe est présent lors du déroulage traditionnel de billes et également lors du tranchage (figure 1.1). Ce mode permet d’usiner le bois avec un minimum d’effort, les forces de coupe étant ainsi plus faibles qu’en coupe 90º-0º. Deux types de copeaux sont en général observés lors de la coupe 0º-90º. Le premier est le copeau de type A, qui est similaire à celui de type I de la coupe 90º-0º. Ce copeau se caractérise par la propagation de fissures à l’avant de l’outil de coupe et par une faible contrainte de compression parallèle à Figure 1.6. Transition de copeau de type B à 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 de type A a été obtenu à un angle d’attaque de 60º et à 1 mm de profondeur de coupe (adaptée de Stewart 1979). la direction de l’outil. Le type B, s’apparente au copeau de type III de la coupe 90º-0º, ou il y a une compression des fibres devant de l’outil. Stewart (1979) a observé qu’il existe une transition graduelle de copeau de type B vers le type A lorsque l’épaisseur de coupe augmente avec un angle d’attaque fixe (figure 1.6). Cet auteur a proposé l’utilisation d’un angle d’attaque élevé combiné à une faible épaisseur de coupe pour obtenir une surface de bonne qualité.

Usinage à l’aide d’une équarrisseuse-fragmenteuse

Généralement, l’équarrisseuse–fragmenteuse présente deux têtes porte-outils placées face à face, lesquelles ont un mouvement de rotation suivant leurs axes. Les têtes sont en général munies de 6 à 8 porte-couteaux, chacun avec un contre-fer et un couteau (figure 1.7). La coupe est réalisée par l’action des couteaux, qui comportent deux parties distinctes: une plus courte qui sert à couper la surface des équarris et une autre plus longue qui fragmente les copeaux (figure 1.8). L’action de coupe de cette dernière est présentée à la figure 1.9. Une tranche de bois correspondant à l’avance de chaque couteau est obtenue initialement. Cette tranche est immédiatement projetée vers le contre-fer. Les contraintes exercées vont produire la fragmentation principalement par fendage longitudinal (Hernández et Quirion 1993,1995).

La transformation des billes à l’aide d’une équarrisseuse-fragmenteuse est souvent associée à une coupe orthogonale. Les forces impliquées lors de la coupe, de même que les paramètres particuliers à cette machine peuvent conditionner sa performance, car ils sont responsables du type de copeau formé et de la qualité de la surface. Hernández (2009b) mentionne que le diamètre de la tête porte-outil de l’équarrisseuse-fragmenteuse affecte le rayon de courbure du cylindre de coupe et la consommation d’énergie. Par ailleurs, la position d’entrée de la pièce à couper par rapport à l’axe de rotation de la tête porte-outil variera avec le diamètre de la bille car il y a souvent une distance fixe entre le centre de l’axe de rotation de la tête et la barre d’appui. Ainsi, cette coupe peut passer d’une direction perpendiculaire à la bille lorsque le haut de celle-ci est alimenté au niveau du centre de l’axe de rotation de la tête porte-outil, à une direction oblique à la bille lorsque les couteaux sortent ou terminent la coupe (figure1.10). Les forces de coupe varieront donc tout au long du parcours des couteaux.

Table des matières

Remerciements
Résumé
Avant – propos
Table des matières
Liste des tableaux
Liste de Figures
Introduction
Chapitre 1 Revue de littérature
1.1. La coupe orthogonale du bois
1.1.1. Efforts induits lors de la coupe orthogonale du bois
1.1.2. Formation du copeau
1.1.2.1. Coupe 90º-0º
1.1.2.2. Coupe 90º-90º
1.1.2.3. Coupe 0º -90º
1.2. Usinage à l’aide d’une équarrisseuse-fragmenteuse
1.3. La qualité de surface du bois
1.3.1. Défauts reliés à la qualité de surface du bois
1.3.1.1. Le fil arraché
1.3.1.2. Le fil laineux ou le fil pelucheux
1.3.1.3. Marques de couteau
1.3.2. Topographie de la surface
1.3.2.1. Caractérisation des profils
1.3.2.2. Les appareils de mesure
1.3.2.3. Les filtres
1.3.2.4. Les paramètres de mesure
1.4 Objectifs et hypothèses du travail
Chapitre 2  Matériel et méthodes
2.1. Matériel d’essai
2.2. Expériences à l’usine
2.3. Expériences au laboratoire
2.3.1. Mesures de la masse volumique basale et de la teneur en humidité
2.3.2. Mesures de la topographie de la surface du bois
2.3.3. Évaluation de la profondeur du fil arraché
2.3.4. Analyse statistiquevi
Chapitre 3
1.Article scientifique
2.Effect of cutting width and cutting height on the wood surface quality of black spruce cants produced by a chipper-canter
3.1. Abstract
3.2. Introduction
3.3. Materials and methods
3.3.1. Sawmill experiments
3.3.2. Laboratory experiments
3.3.3. Surface topography evaluation
3.3.4. Statistical analyses
3.4. Results and discussion
3.4.1. Principal component analysis (PCA
3.4.2. Along the grain assessment
3.4.3. Across the grain assessment
3.4.4. Torn grain evaluation
3.4.5. Correlation Analysis
3.5. Conclusions and recommendations
3.6. Literature cited
Conclusions générales
Bibliographie
Annexe A
Annexe B

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