Caractéristiques géométriques du ponçage

Coupe 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 et d’épaisseurs 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 ou coupe classique est alors un procédé de contrainte et de rupture. La contrainte est appliquée au bois par l’action humaine ou par l’action d’une machine, à l’aide d’un outil de coupe (Hoadley 2000). L’orientation et la direction de la force sont contrôlées par le type d’instrument de coupe et par le bras de l’opérateur (ou par la machine). L’outil présente une géométrie particulière et le bois a également des propriétés physiques et mécaniques particulières. La direction du mouvement et la forme de l’outil déterminent le développement des contraintes imposées au bois et, par conséquent, la manière dont la rupture ou la « coupe » est réalisée.

Coupe orthogonale

La coupe orthogonale est produite par un outil dont l’arête tranchante est perpendiculaire à la direction du mouvement de la pièce de bois. La surface résultante est un plan parallèle à la surface originale. Le rabot de menuisier, la scie à ruban, la scie circulaire, le tour à bois et la trancheuse sont des exemples de machines-outils et d’outils travaillant en mode de coupe orthogonale. Par ailleurs, la coupe orthogonale est un cas particulier d’usinage périphérique où le diamètre du porte-outil tend vers l’infini. Ce mode de coupe est alors utilisé quelques fois pour analyser la formation de copeaux en coupe périphérique. McKenzie (1960) a proposé une nomenclature à deux chiffres pour décrire les principales situations qui peuvent se présenter en coupe orthogonale. 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. On retrouve ainsi trois coupes de base, soit les coupes 90-0, 90-90et 0-90(Figure 1–1).

La coupe orthogonale en direction 90-0se présente dans des procédés tels que le tranchage longitudinal, le rabotage manuel, c’est-à-dire dans tout travail du bois effectué suivant la direction parallèle au fil. La formation du copeau en coupe orthogonale 90-0représente ainsi une des situations d’usinage les plus fréquentes, ce qui explique le fait qu’elle ait été étudiée plus en détail. Il est clair que les efforts impliqués lors de l’usinage vont varier selon la direction de coupe. Normalement, des efforts plus importants sont nécessaires pour la direction 90-90que pour celle 90-0. La direction 0-90exige des énergies de coupe encore moindres (Koch 1985).

Trois angles de coupe sont identifiés lors de la coupe orthogonale à la Figure 1–2. L’angle d’attaque (α) 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 et l’outil gratte le bois plutôt qu’il ne le coupe. Un angle α important diminue les efforts mais tend à provoquer de l’arrachement des fibres. L’angle de dépouille (γ) sert à éviter le talonnement du bois sur l’outil. S’il est trop faible, la face de dépouille va frotter sur le bois, provoquant de l’échauffement et de l’usure sur l’outil. S’il est trop grand, l’arête tranchante devient plus fragile. L’angle du couteau (β) est le complémentaire des 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 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). La variation des forces en fonction des diverses variables de coupe a fait l’objet de plusieurs études. Ainsi, les forces de coupe ont été étudiées en fonction de l’angle d’attaque (Woodson et Koch 1970; Stewart 1977; 1988b; Komatsu 1993; Huang 1994b; Jin et Cai 1996; Neri et al. 1999; 2000), de l’épaisseur du copeau (Woodson et Koch 1970; Axelsson et al. 1993; Neri et al. 1999; 2000), de l’orientation des couteaux (Komatsu 1994; Jin et Cai 1996), de l’usure des outils (Stewart 1985; 1988c; 1991; Huang 1994a; Hernández et Rojas 2002; Hernández et de Moura 2002), ainsi que de la masse volumique (Woodson et Koch 1970; Neri et al. 1999; 2000), de la teneur en humidité et de la température du bois (Axelsson et al. 1993).

Plusieurs méthodes sont disponibles pour mesurer les forces de coupe. Brendel (1990) affirme que le fonctionnement des dynamomètres est généralement basé sur le principe selon lequel une structure soumise à une force présentera une déformation proportionnelle à la force appliquée. Selon l’auteur, deux méthodes peuvent être employées pour mesurer cette déformation:

L’évaluation du changement de propriétés physiques produit dans le matériau de la structure, comme ses propriétés magnétiques (chez les matériaux ferromagnétiques) ou celles piézo-électriques (chez les structures cristallines);

La mesure indirecte, prise par des jauges de déformation. Ces deux catégories peuvent être subdivisées en dynamomètres du type auto-générateur et du type interrogé. Un dynamomètre type auto-générateur est capable de générer des voltages électriques proportionnels aux déformations produites dans sa structure (ex. dynamomètre piézo-électrique à cristaux de quartz). D’autre part, un dynamomètre type interrogé requiert une deuxième source d’énergie, de façon que la déformation soit estimée par biais du changement de la résistance électrique des jauges installées sur la structure (Brendel 1990).

Copeau de type I

Il 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-àfaux (Figure 1–3). Ce type de copeau est produit de façon cyclique étant ses étapes de formation les suivantes: l’outil applique initialement une compression parallèle au fil jusqu’à ce qu’un fendage survienne devant l’arête tranchante de l’outil. La rupture par fendage suit le fil du bois et se poursuit jusqu’à ce que l’effort de flexion produit par l’allongement du copeau devienne le facteur limitant et que le copeau casse comme étant une poutre encastrée en porte-à-faux. À ce moment, un nouveau cycle de formation de copeau commence. 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 (cf. paragraphe 1.3.2.1). Les conditions qui favorisent la formation de ce type de copeau sont entre autres l’emploi d’un angle d’attaque élevé (supérieur à environ 25) de même qu’une épaisseur de copeau trop grande. D’autre part, étant donné que la résistance du bois au fendillement longitudinal est faible, la production de copeaux de type I est associée à une faible consommation d’énergie de la machine-outil.

Copeau de type II

Le copeau de type II 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. Le copeau de type II représente ainsi l’idéal du point de vue de la qualité de surface (Figure 1– 4).

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Table des matières

RÉSUMÉ
ABSTRACT
AVANT-PROPOSI
INTRODUCTION
CHAPITRE I REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Rabotage
1.1.1 Coupe du bois
1.1.2 Coupe orthogonale
1.1.2.1 Efforts induits lors de la coupe orthogonale du bois
1.1.2.2 Formation du copeau en direction 90°-0
1.1.2.2.1 Copeau de type I
1.1.2.2.2 Copeau de type II
1.1.2.2.3 Copeau de type III
1.1.3 Coupe oblique avec barre de pression
1.1.4 Coupe périphérique
1.1.4.1 Formation du copeau en coupe périphérique
1.1.4.2 Efforts induits lors de la coupe périphérique du bois
1.1.5 Coupe hélicoïdale
1.2 Ponçage
1.2.1 Caractéristiques géométriques du ponçage
1.2.2 Matériaux pour la fabrication des abrasifs
1.2.2.1 L’oxyde d’aluminium
1.2.2.2 Le carbure de silicium
1.2.3 Procédé de ponçage
1.3 Qualité de surface du bois
1.3.1.1 Évaluation de la topographie de surface
1.3.2 Défauts de surface produits lors de l’usinage
1.3.2.1 Fil arraché
1.3.2.2 Grain laineux ou pelucheux
1.3.2.3 Marques de copeaux
1.3.2.4 Écrasement cellulaire
1.3.2.5 Défauts reliés au ponçage
1.4 Adhésion à une surface
1.4.1 Théories d’adhésion
1.4.1.1 Théorie mécanique
1.4.1.1.1 Effet de la pénétration sur l’adhésion mécanique
1.4.1.1.2 Effet de la rugosité sur l’adhésion mécanique
1.4.1.2 Théorie électrique
1.4.1.3 Théorie de la diffusion
1.4.1.4 Théorie de l’adhésion spécifique
1.4.1.5 Théorie des liaisons covalentes
1.4.2 Mouillabilité de surface
1.4.2.1 Énergies régissant le mouillage
1.4.2.2 Angles de contact et l’équation de Young
1.4.2.3 Quantification de l’énergie de surface d’un solide
1.4.2.3.1 Loi de Berthelot
1.4.2.3.2 Moyennes géométrique et harmonique
1.4.2.4 Indices de dispersion et de pénétration
1.4.2.5 Effet de la rugosité et de l’usinage sur la mouillabilité
1.5 Vernissage du bois
1.5.1 Caractéristiques des vernis
1.5.2 Méthodes d’évaluation du revêtement
1.5.2.1 Vieillissement accéléré à l’aide de machines
1.5.2.2 Essais mécaniques du film de revêtement
1.5.2.2.1 Relation entre l’adhésion et la performance du film
1.5.2.3 Techniques de microscopie pour l’évaluation de revêtements
1.6 Caractéristiques du bois d’érable à sucre
1.6.1 Description anatomique
1.6.2 Composition chimique
1.6.3 Propriétés physiques
1.6.4 Propriétés d’usinage
CHAPITRE II EVALUATION OF VARNISH COATING PERFORMANCE FOR TWO SURFACING METHODS ON SUGAR MAPLE WOOD
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Introduction and background
2.4 Materials and methods
2.4.1 Testing materials
2.4.2 Machining treatments
2.4.3 Surface wettability tests
2.4.4 Surface roughness measurements
2.4.5 Coating procedure
2.4.6 Accelerated aging
2.4.7 Adhesion tests
2.4.8 Microscopic evaluation
2.5 Results and discussion
2.5.1 Surface topography 65
2.5.3 Interfaces and coating films
2.5.4 Adhesion
2.6 Conclusions
CHAPITRE III CHARACTERISTICS OF SUGAR MAPLE WOOD SURFACES MACHINED WITH THE FIXED-OBLIQUE KNIFE PRESSURE-BAR CUTTING SYSTEM
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Introduction and background
3.4 Materials and methods
3.4.1 Testing materials
3.4.2 Machining treatments
3.4.3 Force measurements
3.4.4 Surface wettability tests
3.4.5 Surface topography measurements
3.4.6 Microscopic evaluation
3.5 Results and discussion
3.5.1 Resultant force components
3.5.2 Surface topography and cell damage
3.5.3 Surface wettability
3.6 Conclusions and recommendations
CHAPITRE IV CHARACTERISTICS OF SUGAR MAPLE WOOD SURFACES PRODUCED BY HELICAL PLANING
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction and background
4.4 Materials and methods
4.4.1 Testing materials
4.4.2 Machining treatments
4.4.3 Surface wettability tests
4.4.4 Surface topography measurements
4.4.5 Microscopic evaluation
4.5 Results and discussion
4.5.1 Surface topography
4.5.2 SEM evaluation
4.5.3 Surface wettability
4.6 Conclusions and recommendations
CHAPITRE V EFFECTS OF ABRASIVE MINERAL, GRIT SIZE AND FEED SPEED ON THE QUALITY OF SANDED SURFACES OF SUGAR MAPLE WOOD
5.1 Résumé
5.2 Abstract
5.3 Introduction and background
5.4 Materials and methods
5.4.1 Testing materials
5.4.2 Machining treatments
5.4.3 Surface wettability tests
5.4.4 Surface topography measurements
5.4.5 Microscopic evaluation
5.5 Results and discussion
5.5.1 Surface topography
5.5.2 SEM analysis of transverse faces
5.5.3 Surface wettability
5.6 Conclusions and recommendations
CHAPITRE VI NEVALUATION OF VARNISH COATING PERFORMANCE FOR THREE SURFACING METHODS ON SUGAR MAPLE WOOD
6.1 Résumé
6.2 Abstract
6.3 Introduction and background
6.4 Materials and methods
6.4.1 Testing materials
6.4.2 Machining treatments
6.4.3 Surface wettability tests
6.4.4 Surface topography measurements
6.4.5 Coating procedure
6.4.6 Accelerated aging
6.4.7 Adhesion tests
6.4.8 Microscopic evaluation
6.5 Results and discussion
6.5.1 Surface topography
6.5.2 Surface wettability
6.5.3 Interfaces and coating films
6.5.4 Adhesion and aging resistance
6.6 Conclusions and recommendations
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE