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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
© Angela Magali Llavé Campos, 2011
i
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.
ii
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.
iii
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
de publication dans la revue scientifique Annals of Forest Science.
iv
Avec tout mon amour à une femme sage et
courageuse, à toi maman.
v
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 2.6.4. Analyse de corrélation ............................................................................... 44
vi
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
vii
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
volumique basale pour chaque condition de coupe. ............................................................. 87
viii
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
ix
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
x
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
xi
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
1
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,
2
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.
3
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).
4
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
5
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.
6
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
(d‟après Hoadley 2000).
7
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.
8
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.
90º-0º
90º-90º
0º-90º
9
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
1,52mm de profondeur de coupe (d‟après Hernández 2009).
10
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.
11
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
12
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.
13
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).
14
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,
15
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).
16
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
17
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
18
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
19
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.
20
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
21
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).
22
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.
23
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
24
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.
25
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).
26
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.
27
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
28
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
29
que d‟une moindre compression de l‟arête tranchante sur la pièce. De plus, lors du rabotage
à travers le fil, certains paramètres de coupe tels que la vitesse d‟amenage, l‟angle d‟attaque
et la profondeur de coupe affectent à un degré moindre la qualité de surface par rapport au
rabotage suivant le fil.
En coupe périphérique du bois de feuillus, on obtient des défauts moins profonds, lorsqu‟on
rabote à travers le fil avec de grands angles d‟attaque (supérieurs à 60º), que lorsqu‟on le
fait suivant le fil avec les méthodes conventionnelles. La distribution perpendiculaire du fil
par rapport à la direction de coupe, lors du rabotage à travers le fil, empêche la prolongation
au-dessous de la surface de la pièce usinée de la rupture générée par clivage au-devant du
couteau, ce qui génère une surface plus uniforme (Stewart et Parks 1980). De même, Iskra
et Hernández (2009) signalent que lors du toupillage du bouleau à papier, la qualité de
surface par rapport à l‟orientation du fil a un comportement non-linéaire, rapportant que la
pire qualité de surface fut observée en coupe contre le fil.
1.3.4.3. La profondeur de coupe
En coupe orthogonale à travers le fil du bois de feuillus, la compression perpendiculaire au
fil est notablement réduite lors de coupes minces. L‟effort de coupe nécessaire pour séparer
les fibres est alors moindre, ce qui fait que la coupe devient plus stable et le bois moins
écrasé. La qualité de surface devient alors meilleure lorsque la profondeur de coupe
diminue. De même, l‟effet de la profondeur de coupe est beaucoup plus important à des
grands angles d‟attaque (50° à 60°) (Stewart 1979). D‟autre part, en coupe périphérique
(rabotage), les défauts tels que le fil arraché peuvent être provoqués ou produits davantage
par de très grandes profondeurs de coupe (Stewart 1980).
Lors de la coupe oblique du bois d‟érable à sucre, des profondeurs de coupes plus grandes
tendent à provoquer une surface beaucoup plus rugueuse (de Moura et Hernández 2007).
Par contre, en toupillage du bois de bouleau à papier, la profondeur de coupe n‟a eu aucun
effet significatif sur la qualité de surface peu importe l‟orientation du fil par rapport à la
coupe (Iskra et Hernández 2009).
30
1.4. Équarrisseuse-fragmenteuse
1.4.1. Description générale et caractéristiques
Parmi les équarrisseuses-fragmenteuses employées au Québec, les marques les plus
connues sont Sawquip et Comact. Ces machines possèdent deux têtes porte-outils placées
face à face et qui tournent suivant leur axe à une vitesse constante. Chaque tête est
composée de six ou huit porte-couteaux, chacun avec un contre-fer et un couteau (figure
1.10). Les couteaux sont uniformément distribués autour de la tête et leur forme comporte
deux parties distinctes, soit une plus courte servant à faire la face de l‟équarri, soit une plus
longue qui fragmente les copeaux (figure 1.11) (Hernández et Quirion 1993, 1995,
Hernández et Lessard 1997, Hernández et Boulanger 1997).
L‟équarrisseuse-fragmenteuse a été conçue afin de transformer des billes de faible diamètre
en équarris et en copeaux sans production de sciure ou particules fines. L‟obtention de
particules de bois à l‟aide de cette machine est généralement associée à une coupe de type
orthogonale. Cette coupe a comme but, d‟une part, de préparer de copeaux avec des
dimensions et formes adéquates pour la fabrication de pâte, et d‟autre part, d‟obtenir des
équarris dont les surfaces sont exemptes de défauts majeurs (Hernández 2007).
Bien que la fabrication de cette machine a conduit à des progrès importants du côté
performance, elle produit encore une proportion importante de copeaux considérés trop
épais, c‟est-à-dire, au-dessus de 8 mm d‟épaisseur. Il faut donc augmenter la production de
copeaux ayant des dimensions adéquates pour les procédés de mise en pâte tout en limitant
la production des défauts dans la surface de l‟équarri produit (Hernández et Quirion 1993,
1995, Hernández et Lessard 1997, Hernández et Boulanger 1997, Hernández et al. 2010).
31
Figure 1.10. Tête porte-outils de l‟équarrisseuse-fragmenteuse Comact, munie de 8 porte-
couteaux avec leurs couteaux respectifs (Tiré de Passarini 2011).
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).
b
a
32
1.4.2. Performance de l’équarrisseuse-fragmenteuse
L'action de coupe d‟une équarrisseuse-fragmenteuse suggère qu‟une tranche de bois
correspondant à l‟avance de chaque couteau est obtenue initialement. Une fois formée, cette
tranche est immédiatement projetée vers le contre-fer. Les contraintes exercées vont
produire la fragmentation en copeaux par fendage longitudinal (figure 1.12) (Hernández et
Quirion 1993, 1995).
Hernández (2007) énumère plusieurs facteurs affectant la performance de l‟équarrisseuse-
fragmenteuse. Par exemple, le diamètre de la tête porte-couteaux affecte le rayon de
courbure du cylindre de coupe, ce qui aura un effet direct sur la consommation d‟énergie.
La position relative de la bille à l‟entrée de la machine par rapport à l‟axe de rotation de la
tête porte-couteaux va influencer le mécanisme de coupe. Ainsi, cette coupe peut passer
d‟une direction perpendiculaire à la bille, au-dessus de celle-ci, lorsque l‟alimentation se
fait au niveau du centre de l‟axe de rotation de la tête porteuse des couteaux, à une direction
oblique à la bille lorsque les couteaux sortent ou terminent la coupe. En conséquence, les
forces de coupe et l‟énergie requise varieront tout au long du parcours de la bille. Dans la
figure 1.13 on note qu'au début, l‟arête tranchante rentre avec une orientation d‟environ 0º-
90º, pour sortir à la fin avec une orientation plus inclinée, soit autour de 45º-45º.
L‟inclination d‟entrée et de sortie du couteau variera selon la distance entre la barre d‟appui
et le centre de l‟axe du porte couteau, ainsi que selon le diamètre de la bille et la largeur de
coupe.
Le dessin du contre-fer, soit entre autres l‟angle et la distance entre la pointe du contre-fer
et l‟arête tranchante du couteau ont une influence directe sur l‟épaisseur des copeaux et la
production de fines et de copeaux en aiguille. Hernández et Quirion (1993) suggèrent qu‟un
angle de contre-fer de 30° et une distance entre la pointe du contre-fer et l‟arête tranchante
du couteau de 22,5 mm (en hiver) et de 15,9 mm (en été) sont les plus appropriés pour la
fragmentation de billes d‟épinette noire.
33
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).
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).
Alimentation
Couteau
Contre-fer
Distance
Bille
Pointe du contre-fer
Fil
Porte-couteau
Babbit
34
Hernández et Quirion (1995) ont rapporté que l‟épaisseur des copeaux augmente à mesure
que la largeur et la hauteur de coupe augmentent. Cependant, ils n‟ont pas pu dissocier
lesquelles de ces deux variables était la responsable de cette variation. Dans une étude plus
approfondie, Hernández et Lessard (1997) ont démontré que la largeur de coupe était celle
qui avait un effet significatif sur la distribution des dimensions de copeaux d‟épinette noire
tandis que la hauteur n‟avait qu‟un effet négligeable. Ainsi, l‟épaisseur des copeaux décroît
au fur et à mesure que la largeur de coupe diminue.
L‟effet de la vitesse de coupe d‟une équarrisseuse-fragmenteuse Swecan sur la
granulométrie des copeaux d‟épinette noire fut étudié par Hernández et Boulanger (1997).
Les résultats montrent qu‟une augmentation de la vitesse de 119 à 172 mètres par minute
produit une diminution de l‟épaisseur des copeaux, ce qui génère une augmentation des
copeaux acceptables, une diminution des copeaux surdimensionnés, mais une augmentation
des copeaux minces et des fines.
Hernández et al. (2010) ont évalué la qualité de surface des billes d‟épinette noire
fragmentées selon deux largeurs de coupe, six hauteurs de coupe et sous des conditions de
gel et dégel des billes. La hauteur et la largeur de coupe ainsi que la température des billes
ont affecté la qualité de surface des équarris. Cette dernière était plus rugueuse, plus
ondulée et le fil arraché plus profond lorsque la largeur de coupe était plus grande. La
meilleure qualité fut obtenue à partir de la fragmentation de billes non gelées, avec la plus
faible largeur et hauteur de coupe. De plus, pour un même équarri, la surface a été
meilleure dans la partie supérieure du petit bout des équarris.
1.5. Hypothèses et objectifs de travail
Les hypothèses de recherche formulées dans le présent travail étaient les suivantes :
Les efforts de coupe diminuent et la qualité de surface s‟améliore lorsque l‟angle
d‟attaque augmente.
35
Les efforts de coupe diminuent et la qualité de surface s‟améliore lorsque la
profondeur de coupe diminue.
Les efforts de coupe et la qualité de surface sont affectés par le changement de
l‟orientation de coupe.
Le but de ce projet de recherche est donc de déterminer l‟effet 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 de billes d'épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P) lors de l‟équarrissage à
l‟aide d‟une équarrisseuse-fragmenteuse. Cette expérience a été réalisée en deux étapes,
soit par l‟évaluation des efforts pendant la coupe et par la caractérisation de la qualité de
surface générée par les différentes conditions de coupe.
36
CHAPITRE 2
MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1. Matériel d’essai
Dix billes d‟épinette noire [Picea mariana (Mill.) B.S.P] à l‟état vert, d‟une longueur
moyenne de 2,4 m et d‟un diamètre moyen de 18 cm (diamètre minimal de 13 cm et
diamètre maximal de 27 cm), provenant de la forêt Montmorency et de la région de
Chibougamau, au Québec, furent utilisées pour l‟obtention des échantillons. Les billes
étaient droites, sans pourriture visible et avaient un minimum de nœuds. Les billes non
écorcées furent enveloppées avec un film de polyéthylène, afin de limiter la perte
d‟humidité, et entreposées dans un congélateur à -5°C jusqu‟à leur utilisation.
2.2. Préparation des échantillons
Chaque bille a été sciée sur dosse à l‟aide d‟une scie à ruban afin d‟obtenir deux planches
de 39 mm d‟épaisseur et de largeur variable. La coupe était effectuée de manière telle à
obtenir une dosse de 25 mm d‟épaisseur maximale (figure 2.1). Cette dosse est
éventuellement transformée en copeaux par l‟équarrisseuse-fragmenteuse. Par ailleurs, la
face extrême des planches était située à l‟endroit où l‟on obtient normalement les faces de
l‟équarri suite au travail de la machine. Sur chaque planche, on a ensuite tracé seize
échantillons ayant une largeur de 30 mm. Les 4 premiers échantillons ont été éboutés
suivant une orientation du fil de 0°, les 4 suivants de 15°, les 4 autres de 30° et les 4
derniers de 45° (figure 2.2). On a alors obtenu une série de 16 échantillons jumelés par
planche, comportant 4 différentes orientations de fil. On a également tiré deux échantillons
par planche pour la mesure de la masse volumique basale. Les échantillons appartenant à
37
chaque série devraient avoir des caractéristiques similaires car ils provenaient d‟une même
planche. Ces derniers ont été obtenus dans des zones libres des nœuds ou de pourriture.
2.3. Évaluation de la masse volumique basale
Quarante échantillons d‟épinette noire à l‟état saturé, ayant une section de 30 mm x 30 mm
et différentes longueurs, ont été coupés en réduisant leurs épaisseurs à 15 mm, pour
évaluer la masse volumique dans la zone où les mesures de forces de coupe furent faites
(figure 2.3).
Les échantillons ont été immergés dans un contenant rempli d‟eau déminéralisée, lequel
était posé sur une balance, afin d‟obtenir leur volume saturé (Vs) au 0,01 g près. Ils ont
ensuite été séchés dans une étuve à 102°C±2°C pendant au moins 48 heures pour s‟assurer
de l‟obtention d‟une masse constante.
Après séchage, les échantillons ont été placés dans des dessiccateurs contenant du P2O5
pendant 30 minutes, afin de les refroidir et mesurer la masse anhydre (Mo). Celle-ci a été
déterminée à l‟aide d‟une balance digitale au 0,01 g près. La masse volumique basale a été
calculée selon la formule suivante :
2.4. Évaluation des efforts de coupe
Les échantillons ont été coupés à l‟aide d‟une fraiseuse universelle avec un angle de
couteau de 20° et une vitesse d‟avance de 7,6 mm/s. Le couteau fut placé pour obtenir et
évaluer 4 angles d‟attaque, soit 35°, 45°, 55° et 65°. Les 4 orientations de coupe mesurées
furent: 0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°. Ces conditions furent répétées à trois
profondeurs de coupe, soit 1, 2 et 3 mm.
38
Figure 2.1. Schéma de coupe des planches à partir d‟une bille.
Figure 2.2. Schéma de coupe des échantillons à partir d‟une planche.
Figure 2.3. Échantillon utilisé pour l‟évaluation de la masse volumique basale.
25mm
39mm
45°
Échantillon pour l‟évaluation de la masse
volumique
Échantillon pour l‟évaluation de la masse
volumique
45°-45° 30°-60° 15°-75° 0°-90°
35° 55° 65°
Zone de
coupe 15mm
15mm
39
Les échantillons furent montés sur la plaque d‟un dynamomètre triaxial Kistler 9257B
(figure 2.4), qui était placé sur la table d‟amenage de la fraiseuse. Les efforts de coupe ont
été ensuite mesurés à travers un cristal de quartz (composante interne du dynamomètre), par
effet piézoélectrique. Les données ont été recueillies en volts (100 mesures par seconde),
pour être transformées automatiquement en newtons (N). Toute l‟information générée lors
de la coupe fut enregistrée et traitée avec le logiciel Dynoware.
Chaque échantillon a subi trois coupes correspondant aux 3 différentes profondeurs. Avant
chaque nouvelle coupe, on redressait la surface à l‟aide d‟une toupie, pour éviter l‟influence
de la coupe précédente sur la suivante. La figure 2.5 montre le schéma de coupe des
échantillons.
Suite à chaque coupe, les échantillons étaient remis dans l‟eau pour garder leur état saturé
et continuer ensuite avec les mesures de la qualité de surface.
2.5. Évaluation de la qualité de surface
Trois lignes repères ont été tracées sur la surface fraichement coupée. La longueur
d‟évaluation variait entre les échantillons, dépendamment de la longueur de ceux-ci.
L‟écart entre la longueur d‟évaluation et les bords extrêmes de l‟échantillon fut de 5 mm,
alors que l‟écart entre les lignes fut de 7,5 mm (figure 2.6).
L‟état de la surface obtenue a été mesuré avec un profilomètre confocal chromatique à
champ étendu Micromeasure (figure 2.7) muni d‟un stylo optique ayant une profondeur de
champ de 24 mm (la profondeur de champ est la distance qui sépare les plans inférieurs des
plans supérieurs qui limitent le profil d‟évaluation). Les données acquises ont été
enregistrées à l‟aide du logiciel Surface Map 2.4.13, avec un filtre Gaussien Robuste (ISO
16610-31) et une fréquence d‟acquisition de 30 Hz, une longueur de base de 2,5 mm et une
vitesse d‟avance de 2,5 mm/s.
40
Figure 2.4. Dynamomètre triaxial Kistler 9257B.
Figure 2.5. Schéma de coupe des échantillons.
Figure 2.6. Distribution des lignes d‟évaluation pour la mesure de la qualité de surface.
2mm
1mm
3mm
30mm
redressement
redressement
5mm
7,5mm
41
Figure 2.7. Profilomètre confocal Micromeasure.
Les paramètres de mesure de qualité de surface ont été obtenus avec le logiciel
MountainMap basé sur la norme ISO 4287-1998. On a utilisé cinq paramètres pour
l‟évaluation de la rugosité, soit Ra, Rq, Rp, Rv et Rz, et cinq autres pour l‟ondulation, soit
Wa, Wq, Wp, Wv et Wz. À partir des profils enregistrés pour l‟évaluation de la topographie
de la surface (rugosité et ondulation), on a également évalué la profondeur des creux causés
par l‟arrachement du fil, en isolant le creux le plus profond de chacun des profils.
2.6. Analyse statistique
Les analyses statistiques furent realisées à l‟aide du logiciel Statistical Analysis Sofware
(SAS) 9.2 (SAS Institute 2007). La procédure statistique utilisée fut la procédure MIXED,
car elle permet de considérer l‟effet aléatoire de la planche d‟où les échantillons
provenaient.
42
2.6.1. Dispositif expérimental
Quarante-huit différentes conditions de coupe ont été évaluées, avec vingt répétitions par
condition. Les variables analysées furent les suivantes:
Variables indépendantes:
Orientation de coupe: 0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°.
Angle d‟attaque: 35°, 45°, 55° et 65°.
Profondeur de coupe: 1 mm, 2 mm et 3 mm.
Variables dépendantes:
Effort de coupe: force parallèle et force normale.
Qualité de surface: fil arraché, ondulation et rugosité.
Le dispositif expérimental principal a consisté en un plan en tiroirs subdivisés ou split-split-
plot, ayant comme parcelle principale l‟orientation de coupe, comme sous-parcelle l‟angle
d‟attaque et comme sous-sous-parcelle la profondeur de coupe. La figure 2.8 montre la
distribution des échantillons dans chacune des parcelles, sous parcelles et sous-sous
parcelles.
2.6.2. Premières analyses
La première analyse fut une analyse de variance en plan split-split-plot. Cette analyse fut
appliquée sur les données brutes, sauf dans les cas du fil arraché, où les données ont été
transformées en les élevant à la puissance -0,35, et de la force parallèle où les données ont
suivi une transformation log. L‟analyse de variance des efforts de coupe a été déterminée
sur 840 observations avec 7 données manquantes, tandis que l‟analyse de variance des
facteurs de qualité de surface a été effectuée sur 960 observations avec neuf observations
manquantes.
43
Figure 2.8. Distribution des échantillons dans un plan split-split-plot.
Suite à cette première analyse de variance, et dans le but de simplifier l‟étude statistique, un
test LSD (Least Significant Difference) a été appliqué pour déterminer les différences entre
les traitements pour chacune des variables dépendantes, cela à un niveau de 5% de
probabilité. Ce test a dévoilé que, indépendamment de l‟orientation de coupe et de la
profondeur de coupe, l‟angle d‟attaque de 65º a toujours produit les efforts de coupe les
plus faibles et les surfaces les meilleures en termes de rugosité, ondulation et fil arraché.
Par conséquent, les analyses ultérieures ont été faites uniquement avec les données
obtenues pour cet angle d‟attaque.
2.6.3. Analyse de composantes principales
Étant donné qu‟on a sélectionné cinq paramètres pour évaluer l‟ondulation et cinq autres
pour la rugosité, il s‟avérait convenable de réaliser une analyse des composantes
principales. Cette analyse effectue une corrélation qui permet de diminuer le nombre des
variables dépendantes tout en évitant une perte d‟information.
Avant de réaliser cette analyse, les données brutes ont suivi une transformation log afin
qu‟elles puissent satisfaire les postulats de base de l‟analyse de variance.
44
À la suite de l‟analyse de composantes principales avec « rotation varimax » les dix
paramètres de rugosité et ondulation ont été regroupés en deux facteurs, soit le facteur 1,
qui regroupe les paramètres d‟ondulation, et le facteur 2, qui regroupe les paramètres de
rugosité (tableau 2.1).
2.6.4. Analyse de corrélation
Une analyse de corrélation entre les trois facteurs de qualité de surface évalués (fil arraché,
ondulation et rugosité) fut effectuée afin de vérifier s‟il y avait une association linéaire
entre ces facteurs, ainsi que pour connaître le degré de l‟association.
Des analyses de corrélation entre la masse volumique basale et les efforts de coupe (force
parallèle et force normale) et entre la masse volumique et les facteurs de la qualité de
surface (fil arraché, ondulation et rugosité) ont aussi été effectuées dans le but de savoir s‟il
existait une relation significative entre la masse volumique, dont la moyenne arithmétique
mesurée fut de 0,405 g/cm3, et chacune des variables dépendantes étudiées. On a établi une
corrélation par condition de coupe, afin d‟éviter l‟influence des variables indépendantes sur
les corrélations.
Finalement, des corrélations entre les efforts de coupe et les facteurs de qualité de surface
ont été aussi effectuées, afin de connaître la relation existante entre les variables
dépendantes.
Pour connaître le degré d‟association linéaire existant entre les variables évaluées, des
coefficients de corrélation de Pearson (R) et de Spearman (Rs) ont été déterminés. Ce
dernier fut calculé lorsque les variables n‟accomplissaient pas en totalité la condition de la
normalité des erreurs.
45
Tableau 2.1. Valeurs de corrélation de l‟analyse de composantes principales réalisée avec
les données d‟ondulation et de rugosité
facteur 1
(ondulation)
facteur 2
(rugosité)
log_Wa 0,9367 0,3035
log_Wq 0,9363 0,3117
log_Wz 0,8839 0,4507
log_Wv 0,8802 0,4331
log_Wp 0,8423 0,4592
log_Rz 0,3387 0,9364
log_Rp 0,2844 0,9271
log_Rv 0,3730 0,8988
log_Rq 0,5371 0,8302
log_Ra 0,5639 0,8019
2.6.5. Analyse de variance
Le modèle expérimental appliqué aux résultats obtenus avec un angle d‟attaque de 65° a été
un plan en tiroirs ou split-plot, ayant comme parcelle principale l‟orientation de coupe et
comme sous-parcelle la profondeur de coupe. L‟analyse de variance a été faite
généralement sur les données brutes, sauf dans le cas du fil arraché, où les données ont été
transformées en les élevant à la puissance -0,5. L‟analyse de variance pour les efforts de
coupe a été conduite sur 200 observations, avec une observation manquante et une
observation aberrante dans le cas de la force parallèle. L‟analyse de variance des facteurs
de qualité de surface a été faite avec 240 observations avec une donnée manquante.
2.6.6. Analyse de régression
Des analyses de régression multiples ont été faites dans le but d‟étudier comment les
variables indépendantes agissent sur les variables dépendantes, ainsi que de savoir laquelle
de ces variables exerce la plus grande influence sur chacune des variables dépendantes
étudiées, et puis en fonction de cette information, pouvoir établir un modèle de régression.
46
Étant donné que le principal objectif de l‟analyse de régression était de chercher le modèle
le plus simple possible, on a appliqué la méthode d‟exclusion (backward method). Cette
méthode permet d‟aller du modèle le plus compliqué vers le modèle le plus simple. Pour
l‟appliquer il faut:
Vérifier la nature des variables, pour savoir quel type de comportement elles ont
(linéaire, quadratique, etc.) et choisir le plus simple;
S‟assurer qu‟il n‟existe pas d‟interaction entre les variables;
Vérifier si les postulats sont rencontrés;
S‟assurer qu‟il n‟existe pas de la multi colinéarité entre les variables (pour atténuer
la colinéarité, on centralise les variables en les soustrayant de leur moyenne).
Afin de connaître la variable indépendante qui a le plus d‟influence sur la variation des
variables dépendantes, l‟estimation du paramètre standardisé ou coefficient beta (βs) fut
déterminé. Ce coefficient permet de comparer les différentes variables indépendantes entre
elles, car il est sans unités.
Finalement, en fonction des termes simples, quadratiques et croisés qui ont été significatifs
lors de l‟analyse de variance, des équations de régression ont été déterminées pour décrire
la nature de la relation observée entre chacune des variables dépendantes par rapport aux
variables indépendantes. On a aussi déterminé les coefficients de détermination pour
chacune de ces équations. Ce coefficient décrit la qualité d‟ajustement des régressions et
estime ainsi la proportion de la variation chez les variables dépendantes qui peut être
expliquée par la variation des variables indépendantes.
47
CHAPITRE 3
ARTICLE SCIENTIFIQUE
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
3.1. Résumé
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 du bois d‟épinette noire, furent évalués. Pour ce
faire, les efforts de coupe ont été déterminés avec un dynamomètre triaxial 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 de coupe (1, 2 et 3 mm). La qualité de la surface a été mesurée à
l‟aide d‟un profilomètre confocal. 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. Les effets de la profondeur de coupe sur la variation des efforts de coupe et la
qualité de surface furent plus importants que ceux reliés à 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.
48
3.2. Introduction
L‟équarrisseuse-fragmenteuse est une machine largement utilisée dans l‟industrie du bois de
sciage au Québec. Elle permet de transformer des billes de faible diamètre en quartelots
destinés à la construction en bois, tout en produisant des copeaux pour la fabrication des pâtes
à papier. Bien que l‟usinage à l‟aide d‟une équarrisseuse-fragmenteuse génère une production
assez satisfaisante, certains aspects techniques restent à améliorer de manière à augmenter sa
performance. La qualité de surface et la diminution des efforts de coupe requis pour l‟usinage
de l‟équarri figurent parmi les plus importants.
Pour enlever un copeau d‟une pièce de bois, l‟outil de coupe doit appliquer une force capable
de vaincre la résistance mécanique de celle-ci. Cette force peut être décomposée en une force
parallèle à la direction du mouvement de l‟outil et en une force normale à la surface usinée
(Kivimaa 1950). La force appliquée par l‟outil est influencée par plusieurs facteurs, tels que
ceux reliés à l‟alimentation, l‟outil de coupe et à la pièce de bois (Koch 1964).
L‟angle d‟attaque affecte grandement les efforts générés lors de la coupe orthogonale. Ainsi,
les efforts augmentent au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque diminue (Koch 1985; Stewart
1991). Par ailleurs, la disposition des éléments ligneux, par rapport à l‟arête tranchante du
couteau et à la direction de coupe, affecte les propriétés mécaniques du bois, et en
conséquence les efforts de coupe requis (Kivimaa 1950; Koch 1985; Hoadley 2000). De plus,
en coupant à travers le fil avec de grands angles d‟attaque, les efforts de coupe sont plus
faibles qu‟en suivant le fil (Stewart 1970). En ce qui concerne la profondeur de coupe, Jodin
(1994) signale qu‟il est le facteur qui influence le plus les efforts de coupe orthogonale. Ainsi,
la force parallèle augmente à mesure que la profondeur de coupe augmente (Neri 1998; de
Moura et Hernández 2007).
L‟étude de la qualité de surface du bois comprend l‟évaluation des défauts et de la topographie
de la surface. L‟un des défauts qui affecte le plus la surface est le fil arraché, qui est produit
lorsque des particules de bois se cassent au-dessous de la surface. Des angles d‟attaque et des
profondeurs de coupe très grands, ainsi que du bois très sec ou très humide peuvent favoriser
49
la production de ce défaut (Stewart 1980). La topographie d‟une surface représente une
superposition d‟irrégularités avec différentes longueurs d‟onde. Ainsi, 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 (Khazaeian 2006).
La surface peut être caractérisée quantitativement selon les paramètres contenus dans la norme
ISO 4287-1998. L‟un des plus utilisés est la rugosité moyenne (Ra) qui correspond à la
moyenne arithmétique de toutes les ordonnées du profil par rapport à une ligne moyenne dans
une longueur de base. D‟autres paramètres importants sont: la rugosité moyenne quadratique
(Rq) qui permet, en comparaison avec Ra, d‟augmenter la sensibilité aux valeurs extrêmes du
profil, la hauteur moyenne du profil (Rz) qui représente la moyenne des amplitudes entre la
hauteur des saillies et la profondeur des creux sur l‟ensemble des longueurs de base
considérées, de même que Rp qui estime la hauteur maximale de sommets et Rv qui calcule la
profondeur maximale des creux (ISO 4287 1998; Mummery 1992).
L‟état de la surface est affecté autant par les paramètres d‟usinage que par les caractéristiques
anatomiques, physiques et mécaniques du bois (Triboulot 1984). En coupe orthogonale,
l‟angle d‟attaque influence le type de copeau produit et par conséquent la qualité de surface.
La qualité d‟une surface rabotée à travers le fil augmente au fur et à mesure que l‟angle
d‟attaque augmente (Stewart 1975,1979; Stewart et Parks 1980). De faibles angles d‟attaque,
combinés avec des angles de dépouille insuffisants, provoquent une surface endommagée par
la présence de défauts tels que le fil arraché et le fil pelucheux (Stewart 1991).
Lors du rabotage à travers le fil, l‟orientation transversale du fil par rapport à la direction de
coupe empêche que la rupture générée par clivage devant le couteau se prolonge au-dessous
de la surface de la pièce usinée. Cela génère une surface plus uniforme, moins rugueuse, avec
des marques de couteaux moins importantes et du fil arraché plus léger (Stewart 1970, 1971;
Stewart et Parks 1980). De plus, en coupe orthogonale à travers le fil, la compression
perpendiculaire au fil est passablement réduite lors des coupes minces. Les contraintes
mécaniques requises pour séparer les fibres sont donc plus faibles, ce qui rend la coupe plus
50
stable et assure que le bois soit moins écrasé. La qualité de surface devient alors meilleure
lorsque la profondeur de coupe diminue (Stewart 1979).
Le but de ce projet de recherche est de déterminer les effets de l‟angle d‟attaque, de
l‟orientation et de la profondeur de coupe sur la qualité de surface et les efforts requis pour
l‟usinage du bois d'épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P). Ces variables ont été
analysées en fonction de leur application au travail réalisé par une équarrisseuse-
fragmenteuse.
3.3. Matériels et méthodes
Dix billes d‟épinette noire [Picea mariana (Mill) B.S.P.] à l‟état vert, de 2,4 m de longueur et
de 18 cm de diamètre moyen ont été sciées sur dosse, afin d‟obtenir deux planches de 39 mm
d‟épaisseur et de largeur variable. De chaque planche, on a ébouté 16 échantillons avec une
largeur de 30 mm, dont les 4 premiers suivaient une orientation du fil de 0°, les 4 suivants de
15°, les 4 autres de 30° et les 4 derniers de 45° (figure 3.1). En prenant un échantillon par
planche, on a alors obtenu 16 groupes jumelés comportant 4 différentes orientations de fil.
On a aussi tiré deux échantillons par planche pour la mesure de la masse volumique basale.
Les échantillons ont été obtenus dans des zones libres des nœuds ou de pourriture.
3.3.1. Évaluation des efforts de coupe
Les échantillons furent placés sur un dynamomètre triaxial Kistler 9257B, lequel était installé
sur la table d‟aménage d‟une fraiseuse. Les seize groupes jumelés ont servi pour étudier 4
angles d‟attaque (35°, 45°, 55° et 65°) et 4 orientations de coupe (0°-90°, 15°-75°, 30°-60°
et 45°-45°). Les coupes furent toutes effectuées avec un angle de couteau de 20º et une vitesse
d‟avance de 7,6 mm/s. Chaque échantillon a subi 3 coupes de 3 profondeurs, soit 1, 2 et 3 mm.
Pour ce faire, la surface fut redressée à chaque coupe, afin d‟éviter l‟influence de la coupe
précédente sur la suivante.
51
Figure 3.1. Schéma de coupe et de distribution des échantillons à partir d‟une planche.
Les données des efforts de coupe ont été prises par le dynamomètre d‟abord en volts (100
mesures par seconde) et transformées ensuite en newtons (N). Toute l‟information générée
lors de la coupe fut enregistrée et traitée avec le logiciel Dynoware pour chacune des 48
conditions de coupe étudiées.
3.3.2. Évaluation de la qualité de surface
Trois lignes repères ont été tracées sur la surface coupée. La longueur d‟évaluation a varié
en fonction de la longueur des échantillons. L‟écart entre la longueur d‟évaluation et les
bords extrêmes de l‟échantillon fut de 5 mm, alors que l‟écart entre les lignes fut de 7,5
mm.
L‟état de la surface a été mesuré avec un profilomètre confocal Micromeasure muni d‟un
stylo optique ayant une profondeur de champ de 24 mm. Les données ont été acquises à une
fréquence de 30 Hz et une vitesse d‟avance de 2,5 mm/s à l‟aide du logiciel Surface Map
2.4.13.
45°
Échantillon pour l‟évaluation de la masse
volumique basale
Échantillon pour l‟évaluation de la masse
volumique basale
45°-45° 30°-60° 15°-75° 0°-90°
35° 55° 65°
52
Les paramètres de mesure de qualité de surface ont été obtenus selon la norme ISO 4287-
(1998) avec le logiciel MountainMap. Un filtre gaussien robuste (ISO 16610-31) et une
longueur de base de 2,5 mm furent appliqués. Cinq paramètres de rugosité (Ra, Rq, Rp, Rv et
Rz), et cinq paramètres d‟ondulation (Wa, Wq, Wp, Wv et Wz) ont été étudiés. De plus, les
profils obtenus ont servi également pour évaluer la profondeur des creux causés par
l‟arrachement du fil.
3.3.3. Analyse statistique
Les analyses statistiques furent faites à l‟aide de la procédure statistique MIXED du logiciel
Statistical Analysis Software (SAS, version 9.2). Le dispositif expérimental initial fut un plan
en tiroirs subdivisés ou split-split-plot, en ayant comme parcelle principale l‟orientation de
coupe, comme sous-parcelle l‟angle d‟attaque et comme sous-sous-parcelle la profondeur de
coupe. Un test LSD (least significant difference) à un niveau de signification 0,05, a été
ensuite appliqué pour déterminer les différences entre les traitements. Ce test a dévoilé que,
indépendamment de l‟orientation et de la profondeur de coupe, l‟angle d‟attaque de 65º a
produit les efforts de coupe les plus faibles et les meilleures qualités de surface. Par
conséquent, les analyses ultérieures ont été faites en considérant juste les données obtenues
pour cet angle.
Le deuxième modèle expérimental fut donc un plan en tiroirs ou split-plot, en ayant comme
parcelle principale l‟orientation de coupe et comme sous-parcelle la profondeur de coupe.
Cette analyse a permis de déterminer l‟effet que les termes simples, quadratiques et croisés
ont sur les variables dépendantes.
Étant donné que pour l‟étude de la topographie de la surface on a pris cinq paramètres
d‟évaluation pour la variable ondulation, et cinq autres pour la variable rugosité, une analyse
par composantes principales fut effectuée afin de regrouper le nombre des variables
dépendantes. Les dix paramètres de rugosité et ondulation furent donc groupés en deux
facteurs, soit le facteur 1, qui regroupe les paramètres de l‟ondulation et, le facteur 2, qui
regroupe ceux de la rugosité.
53
Des analyses de corrélation linéaire simple entre les trois facteurs de qualité de surface évalués
(fil arraché, ondulation et rugosité) ont été effectuées. Des corrélations furent également
calculées entre la masse volumique basale (moyenne de 0,405 g/cm3) et les variables
dépendantes, soit les efforts de coupe (force parallèle et force normale) et les facteurs de
qualité de surface (fil arraché, ondulation et rugosité). Enfin, des corrélations entre les efforts
de coupe et les facteurs de qualité de surface ont aussi été effectuées.
Des analyses de régression multiples ont par la suite servi à évaluer comment les variables
indépendantes agissent sur la variable dépendante, ainsi qu‟à déterminer laquelle de ces
variables exerce la plus grande influence. Des équations de régression ont permis de décrire
les relations observées entre chacune les variables. Les coefficients de détermination ont été
calculés afin d‟analyser la qualité d‟ajustement des équations de régression.
3.4. Résultats et discussion
3.4.1. Analyse initiale
Les annexes A et B montrent les moyennes arithmétiques et les écart-types des efforts de
coupe et des facteurs de qualité de surface obtenus pour chacune des conditions de coupe.
Les tableaux de l‟annexe A montrent que, peu importe l‟orientation et la profondeur de
coupe, les efforts de coupe augmentent lorsque l‟angle d‟attaque diminue. Des résultats
semblables ont été rapportés par Koch (1985), Stewart (1991) et Néri (1998).
Selon Stewart (1979), la coupe orthogonale 0º-90º avec des angles d‟attaque moyens (30° à
40°), permet d‟avoir des copeaux fragmentés de type B résultant d‟une importante
compression perpendiculaire au fil. Par contre, à mesure que l‟angle d‟attaque augmente, le
type de copeau passe du type B vers le type A. Le copeau A est associé à une compression
perpendiculaire au fil plus faible, le bois est alors moins écrasé et les surfaces sont de
meilleure qualité. Les tableaux de l‟annexe B montrent en effet que le fil arraché,
54
l‟ondulation et la rugosité diminuent au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente. La
surface fut ainsi meilleure avec un angle d‟attaque de 65º. Des résultats semblables ont été
rapportés par Stewart (1975, 1979, 1991) et Stewart et Parks (1980) pour ce qui est du fil
arraché.
L‟annexe C présente les résultats de l‟analyse de variance en plan split-split-plot. Les
interactions triples pour le fil arraché, l‟ondulation, la rugosité, la force parallèle et la force
normale ont été significatives à un seuil de probabilité de 0,011. Les valeurs F des sources
principales de variation montrent que la profondeur de coupe fut la variable affectant le
plus la force parallèle, l‟ondulation et le fil arraché. Par ailleurs, l‟angle d‟attaque fut la
variable affectant le plus la rugosité et la force normale. Les interactions triples indiquent
qu‟un changement dans l‟une des variables indépendantes affectera le comportement des
deux autres variables et, par conséquent, le comportement des variables dépendantes. Afin
d‟illustrer les interactions, la figure 3.2 présente la variation de la force parallèle en
fonction de l‟orientation de coupe pour une profondeur de coupe de 3mm et pour les angles
d‟attaque extrêmes étudiés, soit 35º et 65º. L‟effet de l‟orientation de coupe fut différent
pour ces deux angles d‟attaque, car la formation du copeau diffère pour ces angles
d‟attaque. À 35º d‟angle d‟attaque, les copeaux étaient de type B où l‟implication des
contraintes de compression et cisaillement fut importante (Stewart 1979). Il est alors connu
que la compression est plus grande en direction longitudinale qu‟en transversale. Cela se
manifeste par une augmentation de la force parallèle lorsque l‟on passe d‟une coupe 0º-90º
vers une 45º-45º (tableau A.3). Ce n‟est pas le cas des copeaux produits avec un angle
d‟attaque de 65º qui furent principalement de type A, où il y a notamment une séparation
des fibres par fendillement. La force requise pour séparer les fibres par fendillement ne
varierait pas beaucoup entre 0º-90º et 45º-45º d‟orientation de coupe, ce qui se traduit par
une variation plus faible de la force parallèle, voire même légèrement inverse par rapport à
celle associé à l‟angle de 35° (figure 3.2).
1 Un niveau de signification de 0,01 a été choisi afin d‟éviter de commettre une erreur de type I, car tous les
postulats de l‟analyse de variance n‟ont pas été rencontrés.
55
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Forc
e par
allè
le (
N/m
m)
Orientation de coupe
α = 35°
α = 65°
0°-90° 15°-75° 30°-60° 45°-45°
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.
Les résultats des comparaisons multiples montrent que, peu importe l‟orientation et la
profondeur de coupe, usiner avec un angle d‟attaque de 65º a généré les forces parallèles les
plus faibles (Annexe A). Les forces normales négatives furent dans ce cas en général, les
plus grandes, bien que toujours d‟une moindre ampleur par rapport aux forces parallèles.
Ces faibles forces résultantes ont donc produit les plus faibles valeurs de fil arraché,
d‟ondulation et de rugosité. Les analyses ultérieures furent donc réalisées avec les données
correspondant à l‟angle d‟attaque de 65º, étant cet angle le plus efficace.
Les tableaux D.1 et D.2 présentent les coefficients de corrélation de Pearson (R) et les valeurs
de probabilité obtenus entre la masse volumique basale et les efforts de coupe, et la masse
volumique et les facteurs de qualité de surface, respectivement. Les résultats montrent que la
masse volumique n‟affecte aucune des variables dépendantes évaluées. Normalement, les
efforts de coupe varient proportionnellement à la masse volumique du bois, lorsque l'on
mélange plusieurs espèces de bois (Woodson 1979). Dans notre cas, l‟absence de corrélation
peut s‟expliquer par la faible variation de la masse volumique entre les échantillons étudiés (le
coefficient de variation fut de 8%).
56
3.4.2. Évaluation des efforts de coupe
Selon Kivimaa (1950) et Koch (1985), les efforts de coupe en direction 0 -90 sont moins
élevés qu‟en direction 90 -0 . On s‟attendait alors à une augmentation des efforts de coupe
lors du changement de l‟orientation de coupe de 0 -90 vers 45 -45 . Cependant, la figure
3.3 montre que la force parallèle et la force normale ont des comportements irréguliers tout
au long du changement de l‟orientation de coupe. Tel qu‟expliqué précédemment, ce
comportement peut s‟expliquer par le type de copeau formé lorsque l‟on utilise un angle
d‟attaque élevé, soit 65 dans ce cas. Par ailleurs, les efforts de coupe augmentent
clairement au fur et à mesure que la profondeur de coupe augmente.
L‟effort parallèle mesuré à 65 d‟angle d‟attaque est plus influencé par le changement de la
profondeur de coupe que par celui de l‟orientation de coupe. À une profondeur de 1 mm,
les orientations qui génèrent des forces parallèles plus faibles sont 30º-60º et 45°-45°, à 2
mm sont 15º-75º, 30º-60º et 45º-45º et à 3 mm est 30º-60º (Annexe A). Par ailleurs, la force
normale fut toujours négative, ce qui indique que la pièce de bois tend à repousser le
couteau (Kivimaa 1950). Cette contrainte appliquée sur le couteau augmente à mesure que
l‟orientation de coupe change vers 45°-45°.
Le tableau 3.1 montre des interactions doubles significatives de l‟orientation et de la
profondeur de coupe sur les forces parallèle et normale. Ceci indique que l‟effet de la
profondeur varie en fonction de l‟orientation de coupe pour les deux forces (figure 3.3). De
plus, la force parallèle est davantage affectée par la variation de la profondeur de coupe (F
= 445,4) que par celle de l‟orientation de coupe (F = 12,4, tableau 3.1). Dans le cas de la
force normale, c‟est l‟orientation de coupe qui affecte davantage cette variable.
57
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Forc
es d
e co
upe
(N/m
m)
Orientation de coupe
Fp (3mm)
Fp (2mm)
Fp (1mm)
Fn (3mm)
Fn (2mm)
Fn (1mm)
0°-90° 15°-75° 30°-60° 45°-45°
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.
Tableau 3.1. ANOVA des efforts de coupe requis à 65º d‟angle d‟attaque.
source de variation d.l. force parallèle force normale
valeur F prob>F valeur F prob>F
orientation de coupe 3 12,4 <,0001 69,0 <,0001
profondeur de coupe 2 445,4 <,0001 32,8 <,0001
orientation*profondeur 4 17,1 <,0001 82,0 <,0001
Des travaux antérieurs rapportent que l‟effet de l‟angle d‟attaque, sur le comportement des
forces normale et parallèle, est affecté par la profondeur de coupe (Franz 1958, Woodson
et Koch 1970, Neri 1998) et par l‟orientation de coupe (Stewart 1970). Cependant, il n‟y a
pas d‟information sur comment une interaction possible entre la profondeur de coupe et
l‟orientation de coupe pourrait affecter les efforts de coupe.
58
Le tableau 3.2 présente l‟analyse de variance des régressions des efforts de coupe. Il contient
les termes simples, quadratiques et croisés qui se sont avérés significatifs pour chacune des
variables réponse, et qui ont été considérés lors de l‟estimation des équations de régression.
Pour savoir laquelle des variables indépendantes influence le plus le comportement des
variables dépendantes, les valeurs des βs des effets principaux (termes simples) ont été
comparées. Pour les forces parallèle et normale, la variable la plus importante fut la
profondeur de coupe. Jodin (1994) a également rapporté que ce paramètre affecte le plus le
comportement des efforts de coupe. Le tableau 3.3 contient les équations de régression pour
les efforts de coupe. Elles montrent un ajustement relativement bon avec des coefficients de
détermination de 60% pour la force parallèle et de 51% pour la force normale. Ces équations
peuvent expliquer ainsi 60% et 51% de la variation observée pour la force parallèle et la force
normale, respectivement.
3.4.3. Évaluation de la qualité de surface
Tout d‟abord, une analyse de corrélation entre les trois facteurs de qualité de surface évalués,
soit le fil arraché, l‟ondulation et la rugosité, fut effectuée. Le tableau 3.4 montre que les
corrélations entre le fil arraché et l‟ondulation, et le fil arraché et la rugosité furent
directement proportionnelles; la corrélation entre le fil arraché et l‟ondulation étant plus
forte. L‟ondulation pourrait alors être estimée en fonction de la variation du fil arraché ou
vice-versa. D‟autre part, la corrélation entre l‟ondulation et la rugosité ne fut pas
significative.
En coupe orthogonale, l‟angle d‟attaque influence le type de copeau produit, lequel va
affecter à son tour la qualité de surface. En direction 0º-90º, cette qualité s‟améliore au fur
et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente (Stewart 1975, Stewart 1979, Stewart et Parks
1980, Stewart 1991). En effet, tel que discuté au paragraphe 3.4.1, le fil arraché,
l‟ondulation et la rugosité ont diminué au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente;
la meilleure qualité fut obtenue à un angle d‟attaque de 65º.
59
Tableau 3.2. Analyse de variance de la régression des efforts de coupe obtenus à 65º d‟angle d‟attaque.
source de variation
force parallèle
force normale
d.l. β erreur
type de β β
s
valeur
P d.l. β
erreur
type de β β
s
valeur
P
origine 19 114 4 <,0001
19 -71 3 <,0001
orientation de coupe 117 -0,6 0,1 -0,2 <,0001 116 -1,3 0,1 -0,8 -0,8
profondeur de coupe 117 34 1 0,7 <,0001 116 -26 2 -0,8 -0,8
orientation*orientation 117 0,036 0,009 0,716 0,0001 116 -0,032 0,006 -0,897 -0,897
profondeur*profondeur
116 21 3 2 2
orientation*profondeur 116 1,04 0,2 1,5 1,5
β = Estimation du paramètre
βs = Estimation du paramètre standardisé
60
Tableau 3.3. Équations de régression des efforts de coupe obtenus à 65º d‟angle d‟attaque.
Tableau 3.4. Corrélation de Spearman entre les facteurs de qualité de surface (tous les
résultats obtenus à 65º d‟angle d‟attaque confondus).
facteurs associés statistique valeurs
fil arraché ondulation
(facteur 1)
Rs 0,83
valeur P <,0001*
fil arraché rugosité
(facteur 2)
Rs 0,41
valeur P <,0001*
ondulation
(facteur 1)
rugosité
(facteur 2)
Rs -0,02
valeur P 0,7
Rs: Coefficient de Spearman (α=0,01)
* Corrélation significative
Les figures 3.4 à 3.6 montrent la variation du fil arraché, de l‟ondulation (Wa) et de la rugosité
moyennes (Ra) en fonction de l‟orientation et de la profondeur de coupes lors de l‟usinage
avec un angle d‟attaque de 65°. Les trois figures montrent des courbes avec des allures
similaires. Les courbes correspondant à 3 mm de profondeur de coupe montrent une
diminution du fil arraché, de l‟ondulation et de la rugosité très prononcée lorsque
l‟orientation de coupe passe de 0º-90º vers 15º-75º.
Il est admis que la surface devienne de meilleure qualité à mesure que la profondeur de coupe
diminue (Stewart 1979, de Moura et Hernández 2007). Les défauts tels que le fil arraché se
variable
indépendante équation de régression
coefficient de
détermination
ou R2(%)
force parallèle
60,0
force normale
51,0
O* = orientation du fil par rapport à l‟arête tranchante du couteau – 22,5º
P* = profondeur de coupe – 2mm
Note : Les valeurs soustraites correspondent aux valeurs moyennes des variables explicatives.
61
produisent ainsi d‟avantage à de grandes profondeurs de coupe (Stewart 1980). Les résultats
de ce travail confirment ces observations (figures 3.4 à 3.6).
La coupe à travers le fil 0°-90° génère des défauts moins profonds (du fil arraché et une
rugosité plus faibles) que la coupe suivant le fil (Stewart 1970,1971). La coupe en direction
transversale empêche que la rupture, générée par clivage à l‟avant du couteau, se prolonge
au-dessous de la surface de la pièce usinée, ce qui génère une surface plus uniforme
(Stewart et Parks 1980). On devrait alors obtenir une meilleure qualité de surface suite à
une coupe en direction 0°-90°. Cependant, cela ne fut pas toujours le cas car l‟effet de
l‟orientation de coupe sur l‟état de surface fut très affecté par la variation de la profondeur
de coupe.
Les tableaux de l‟annexe B montrent qu‟à 65° d‟angle d‟attaque et pour 1 mm et 2 mm de
profondeur de coupe, il n‟existe pas de différences significatives entre les moyennes du fil
arraché, de l‟ondulation et de la rugosité générées par les 4 orientations de coupe.
Toutefois, à 3 mm de profondeur de coupe les orientations qui génèrent les meilleures
qualités de surface furent 30°-60° et 45°-45°. À l‟inverse, la coupe 0°-90° a produit la pire
qualité de surface. Cela s‟explique par le fait que le type de copeau formé diffère en
fonction de l‟orientation et de la profondeur de coupe tel que discuté précédemment (cf.
par. 3.4.1). Il existe donc une interaction significative entre les variables indépendantes
orientation et profondeur de coupe sur la qualité de surface (tableau 3.5). L‟effet de cette
interaction est plus marqué au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque diminue (Annexe B).
On a donc intérêt à utiliser l‟angle d‟attaque de 65° car il va réduire davantage l‟effet de
l‟orientation de la coupe sur la qualité de surface. Comme on le sait, cette orientation va
nécessairement varier tout au long du parcours du couteau de finition lors du travail de
l‟équarrisseuse-fragmenteuse. Les résultats montrent également qu‟au-dessus de 2 mm de
profondeur de coupe, l‟orientation de coupe va affecter la qualité de surface de manière très
importante.
62
0
500
1000
1500
2000
2500
0°-90° 15°-75° 30°-60° 45°-45°
Fil
arr
ach
é (µ
m)
Orientation de coupe
3mm
2mm
1mm
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.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0°-90° 15°-75° 30°-60° 45°-45°
On
dula
tio
n m
oyen
ne
(µm
)
Orientation de coupe
3mm
2mm
1mm
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.
63
0
20
40
60
80
100
120
0°-90° 15°-75° 30°-60° 45°-45°
Ru
go
sité
mo
yen
ne
(µm
)
Orientation de coupe
3mm
2mm
1mm
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.
L‟analyse de variance des paramètres de qualité de surface confirme ces résultats en
montrant que l‟effet de la profondeur de coupe est plus important que celui de l‟orientation
de coupe (tableau 3.5). La rugosité fut seulement affectée par la profondeur de coupe. Des
interactions significatives pour le fil arraché et l‟ondulation y sont aussi montrées. Ces
interactions montrent que l‟effet de la profondeur de coupe sur le fil arraché et l‟ondulation
est fonction de l‟orientation impliquée.
Le tableau 3.6 présente l‟analyse de variance de régressions des facteurs de qualité de surface
lors de l‟usinage à 65º d‟angle d‟attaque. Il contient les termes simples, quadratiques et
croisés qui se sont avérés significatifs pour chacune des variables dépendantes. Les
coefficients βs de la profondeur de coupe sont plus grands que ceux de l‟orientation de coupe.
Cela confirme que la profondeur affecte davantage le comportement des facteurs de qualité de
surface suivi de l‟orientation.
64
Tableau 3.5. ANOVA des facteurs de qualité de surface obtenus à 65º d‟angle d‟attaque.
source de variation d.l. fil arraché
ondulation
(facteur 1)
rugosité
(facteur 2)
valeur F prob>F valeur F prob>F valeur F prob>F
orientation de coupe 3 2,6 0,06 9,6 <,0001 2,4 0,08
profondeur 2 229,0 <,0001 270,8 <,0001 12,0 <,0001
orientation*profondeur 6 9,0 <,0001 9,5 <,0001 1,4 0,2
Tableau 3.6. Analyse de variance de la régression des facteurs de qualité de surface obtenus à 65° d‟angle d‟attaque.
source de variation
fil arraché ondulation (facteur 1) rugosité (facteur 2)
d.l. β
erreur
type de
β
βs
valeur
P d.l. β
erreur
type
de β
βs
valeur
P d.l. β
erreur
type
de β
βs
valeur
P
origine 19 0,047 0,001 <,0001 19 0,01 0,09 0,93 19 0,0001 0,1 0,9991
orientation de coupe 156 0,00006 0,00005 0,15283 0,3011 157 -0,018 0,004 -0,294 <,0001
profondeur de coupe 156 -0,0087 0,0004 -1,1546 <,0001 157 0,69 0,03 0,57 <,0001 158 0,25 0,05 0,21 <,0001
profondeur*profondeur 156 -0,0027 0,0007 -1,4499 0,0003
orientation*profondeur 156 0,00020 0,00003 1,32203 <,0001 157 -0,013 0,002 -0,516 <,0001
β = Estimation du paramètre
βs = Estimation du paramètre standardisé
65
Les équations de régression des facteurs de qualité de surface sont présentées dans le tableau
3.7. Les équations du fil arraché et de l‟ondulation sont assez bien ajustées, car elles présentent
des coefficients de détermination de 40,9% et 43,1% respectivement. Toutefois, l‟équation de
la rugosité est négligeable car son coefficient de détermination est trop faible (4,3%).
3.4.4. Analyse de la qualité de surface par rapport aux efforts de coupe
Lorsque l‟effort de coupe requis pour séparer les fibres est faible, la coupe dévient plus
stable, ce qui favorise l‟obtention d‟une meilleure qualité de surface (Stewart 1979). Les
figures 3.7 à 3.9 montrent la variation des facteurs de qualité de surface en fonction de la force
parallèle suite à des coupes faites avec un angle d‟attaque de 65º, trois profondeurs et quatre
orientations de coupe. On observe une relation directement proportionnelle entre la force
parallèle et les facteurs de qualité de surface. Tel que suggéré par Stewart (1979), la surface se
dégrade au fur et à mesure que la force parallèle augmente. Cette force augmente suite à
l‟augmentation de l‟épaisseur de copeau ou de la profondeur de coupe. À une profondeur de
coupe donnée, les forces parallèles sont en général assez semblables pour les orientations de
coupe de 15º-75º, 30º-60º et 45º-45º (Annexe A). Par contre, ces forces sont plus élevées pour
l‟orientation 0º-90º peu importe la profondeur de coupe ainsi que pour l‟orientation 30º-60º à 3
mm de profondeur (Annexe A). On confirme ainsi que la qualité de surface est plus affectée
par le changement de la profondeur de coupe que par celui de l‟orientation.
Les analyses de corrélations ont servi à étudier l‟association entre les efforts de coupe et les
paramètres de qualité de surface obtenus avec un angle d‟attaque de 65º (tableau 3.8). Le fil
arraché et l‟ondulation ont des relations directement proportionnelles avec la force parallèle et
indirectement proportionnelles avec la force normale. D‟autre part, la rugosité présente une
corrélation significative avec la force parallèle. Des analyses de régressions multiples furent
alors effectuées afin de savoir comment les efforts de coupe agissent sur les facteurs de
qualité de surface.
66
Tableau 3.7. Équations de régression des facteurs de qualité de surface obtenus à 65°
d‟angle d‟attaque.
2
3mm
2
3
1 2
31
2
3
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2 3 4 5 6 7
Fil
arr
ach
é (µ
m)
Force parallèle (N/mm)
0°-90°
15°-75°
30°-60°
45°-45°
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.
variable
dépendante équation de régression
coefficient de
détermination
ou R2(%)
fil arraché
40,9
ondulation
(facteur 1)
43,1
rugosité
(facteur 2)
4,3
O* = orientation du fil par rapport à l‟arête tranchante du couteau – 22,5º
P* = profondeur de coupe – 2mm
Note : Les valeurs soustraites correspondent aux valeurs moyennes des variables explicatives.
67
2
3mm
2
3
1 2
31 2
3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
2 3 4 5 6 7
On
du
lati
on
mo
yen
ne
ou
Wa (µ
m)
Force parallèle (N/mm)
0°-90°
15°-75°
30°-60°
45°-45°
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.
2
3mm
2
3
1
2
3
12
3
30
40
50
60
70
80
90
100
2 3 4 5 6 7
Ru
go
sité
mo
yen
ne
ou
Ra
(µm
)
Force parallèle (N/mm)
0°-90°
15°-75°
30°-60°
45°-45°
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.
68
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).
facteurs associés Rs valeur P
fil arraché f. parallèle 0,4 <,0001*
f. normale -0,2 0,0009*
ondulation
(facteur 1)
f. parallèle 0,5 <,0001*
f. normale -0,2 0,003*
rugosité
(facteur 2)
f. parallèle -0,2 0,005*
f. normale 0,1 0,2
Rs: Coefficient de Spearman (α=0,01)
*Corrélation significative
Le tableau 3.9 montre les résultats des régressions multiples. On note que seulement la
force parallèle a un effet significatif sur la variation des facteurs de qualité de surface. On
peut donc affirmer que la force parallèle permet d‟expliquer davantage le comportement de
ces facteurs. De plus, les coefficients de détermination furent relativement faibles (14,6%
pour le fil arraché, 25,2% pour l‟ondulation et 1,8% pour la rugosité). Ceci s‟explique par
le fait que les régressions furent calculées en prenant les résultats de quatre orientations et
trois profondeurs confondus. Tel que discuté plus haut, l‟effet de la force parallèle sur la
qualité de surface fut différent pour l‟orientation 0º-90º ainsi que pour l‟orientation 30º-60º à
3 mm de profondeur.
69
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).
fil arraché
(R2=14,6%)
source de
variation d.l. β
erreur type
de β β
s valeur P
origine 19 0,067 0,003 <,0001
f.parallèle 117 -0,00015 0,00002 -0,96262 <,0001*
f.normale 117 0,00005 0,00002 0,23019 0,03812
ondulation
ou facteur 1
(R2=25,2%)
origine 19 -1,7 0,2 <,0001
f.parallèle 117 0,013 0,001 0,505 <,0001*
f.normale 117 -0,003 0,002 -0,083 0,089
rugosité
ou facteur 2
(R2=1,8%)
origine 19 -0,3 0,3 0,2
f.parallèle 117 0,004 0,002 0,165 0,005*
f.normale 117 0,002 0,002 0,049 0,388
*Régression significative
β = Estimation du paramètre
βs = Estimation du paramètre standardisé
3.5. Conclusions et recommandations
Cette étude montre que l‟angle d‟attaque, l‟orientation de coupe et la profondeur de coupe
affectent de manière importante les efforts de coupe et la qualité de surface générés lors de la
coupe du bois d‟épinette noire. Les résultats montrent qu‟au fur et à mesure que l‟angle
d‟attaque augmente, la force parallèle, le fil arraché, l‟ondulation et la rugosité diminuent
alors que, les forces normales, ayant toujours des valeurs négatives, en général augmentent.
Les coupes effectuées avec un angle d‟attaque de 65º, pour toutes les orientations et
profondeurs de coupe évaluées, génèrent toujours des efforts de coupe plus faibles et des
meilleures qualités de surface. Ainsi, une équarrisseuse-fragmenteuse munie des couteaux
de finition ayant un angle d‟attaque de 65º, un angle de couteau de 20º et un angle de
dépouille de 5º devrait produire un meilleur état de surface à un moindre coût énergétique.
70
D‟autre part, les résultats obtenus à 65º d‟angle d‟attaque ont montré que les effets de la
profondeur de coupe sur les efforts de coupe et les facteurs de qualité de surface sont plus
forts que ceux de l‟orientation de coupe. Ainsi, au fur et à mesure que la profondeur
augmente, les effets de l‟orientation de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de
surface augmentent largement, notamment à 3 mm. Dans une perspective d‟utilisation de
l‟équarrisseuse-fragmenteuse, si le diamètre de la tête porte-couteaux est faible, alors on
réduira l‟effet éventuel de l‟orientation de coupe sur l‟état de surface en utilisant un angle
d‟attaque adéquat (dans ce cas-ci 65º) avec une faible profondeur de coupe.
71
Conclusions générales
L‟objectif de cette étude portait sur la détermination des 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 (Picea mariana (Mill.) B.S.P) à l‟état vert. L‟expérience fut
conçue afin d‟appliquer les résultats au travail d‟une bille de bois par une équarrisseuse-
fragmenteuse.
Cette expérience a été réalisée en deux étapes. La première étape comprenait la mesure des
efforts de coupe, notamment l‟effort parallèle et l‟effort normal, lors de la coupe des
échantillons ayant une section de 30 x 30 mm et des longueurs variables. Trois niveaux de
profondeur de coupe (1, 2 et 3 mm) furent étudiés, avec quatre angles d‟attaque (35°, 45°,
55° et 65°) et quatre orientations de coupe (0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°). La
deuxième étape comportait la caractérisation de la qualité de surface au moyen des
paramètres standards d‟ondulation et de rugosité (ISO 4287-1998) ainsi que de la
profondeur du fil arraché. Des analyses de corrélation simple, de variance et de régressions
multiples furent réalisées afin de déterminer l‟influence ou non des variables indépendantes
sur le comportement des variables dépendantes.
Les résultats ont montré qu‟au fur et à mesure que l‟angle d‟attaque augmente, la force
parallèle, le fil arraché, l‟ondulation et la rugosité diminuent. La force normale, ayant
toujours des valeurs négatives, a en général augmenté avec l‟augmentation de cet angle.
Les coupes faites avec un angle d‟attaque de 65º ont alors généré un effort de coupe plus
faible et une meilleure qualité de surface, peu importe l‟orientation de coupe et la
profondeur de coupe étudiées.
L‟analyse de la profondeur de coupe et de l‟orientation de coupe, faite exclusivement pour
les données de l‟angle d‟attaque de 65º, a dévoilé que les effets de la profondeur de coupe
sur le comportement des efforts de coupe et des facteurs de qualité de surface furent plus
importants que ceux de l‟orientation de coupe. Les résultats montrent également que l‟effet
de l‟orientation de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de surface augmente au fur et
72
à mesure que la profondeur de coupe augmente. Ainsi, à une profondeur de 1 mm les
orientations qui génèrent des forces parallèles plus faibles sont 30º-60º et 45°-45°, à 2 mm
sont 15º-75º, 30º-60º et 45º-45º et à 3 mm est 30º-60º. Quant à la qualité de surface, à 1 et 2
mm de profondeur de coupe, les quatre orientations de coupe génèrent du fil arraché, de
l‟ondulation et de la rugosité n‟ayant pas de différences significatives. Toutefois, à 3 mm
de profondeur de coupe les orientations qui génèrent les meilleures qualités de surface sont
30°-90° et 45°-45°.
Les analyses ont montré que la masse volumique n‟a affectée significativement aucune des
variables dépendantes évaluées. Cela peut s‟expliquer par la faible variation de la masse
volumique entre les échantillons étudiés (le coefficient de variation de la masse volumique
fut de 8%). L‟analyse de corrélation, effectuée entre les facteurs de qualité de surface, a
montré que le fil arraché est corrélé directement avec l‟ondulation et la rugosité, c‟est
pourquoi le comportement de ces derniers pourrait être estimé en fonction au comportement
du fil arraché et inversement. Le fil arraché présente des valeurs qui variaient entre 0,07
mm et 9,99 mm, selon les conditions de coupe. C‟est alors pourquoi ce facteur doit être
contrôlé efficacement afin d‟améliorer la qualité de surface du bois d‟épinette noire. Étant
donné la corrélation hautement positive entre le fil arraché et l‟ondulation et le fil arraché et
la rugosité, l‟optimisation des conditions de coupe pour diminuer ce défaut améliorera aussi
la rugosité et l‟ondulation de la surface.
La relation existante entre les variables dépendantes fut évaluée par des analyses de
corrélations et de régressions. Même s‟il existe des corrélations inverses et directes
significatives entre la force parallèle et les facteurs de qualité de surface et entre la force
normale et ces facteurs, les analyses de régression montrent que seulement la force parallèle a
eu un impact significatif sur le comportement des facteurs de qualité de surface, mais avec
des coefficients de détermination relativement faibles.
Les implications immédiates de cette recherche sont reliées à une meilleure compréhension
du procédé de transformation des billes d‟épinette noire à l‟aide d‟une équarrisseuse-
fragmenteuse, visant spécifiquement la réduction des efforts de coupe, donc de l‟énergie
73
consommée, et la production des équarris ayant une meilleure qualité de surface. Dans le
but de mener les résultats de cette étude à des applications pratiques, on peut signaler que,
les couteaux de finition ajustés avec un angle d‟attaque de 65º permettront d‟avoir de
moindres efforts de coupe et une meilleure qualité de surface. Il est possible qu‟un angle
d‟attaque plus élevé puisse fournir des meilleurs résultats, cependant il faudrait d‟abord
compter avec de couteaux faits avec de matériaux plus résistants, qui permettront de réduire
l‟angle de couteau à faveur de l‟angle d‟attaque sans affecter la résistance à l‟usure du
couteau.
Les equarrisseuses-fragmenteuses ayant des têtes porte-couteaux de faibles diamètres
présentent des couteaux de finition, dont l‟orientation de leur arête tranchante par rapport
au fil du bois variera tout au long du parcours de coupe. Cette variation de l‟orientation de
coupe va faire varier à son tour les efforts de coupe et l‟état de surface. Pour amoindrir cette
variation, on pourrait soit augmenter les diamètres de têtes porte-couteaux, soit faire de
coupes plus minces. Les coupes plus minces permettront ainsi de réduire les efforts de
coupe et d‟augmenter la qualité de surface. Alors, les effets de l‟angle d‟attaque,
l‟orientation de coupe et la profondeur de coupe sur la qualité de surface du bois d‟épinette
noire restent maintenant mieux cernés.
74
Bibliographie
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disturbances in the wood structure and degree of wear of the cutting tool. Holz als Roh-und
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79
Annexe A
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.
angle
d'attaque
orientation
de coupe
nombre
d‟échantillons
force parallèle (N/mm) force normale (N/mm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 20 5,8 1,2 G*
-0,9 0,4 E
15°-75° 20 4,4 0,7 DE -2,4 0,4 B
30°-60° 20 5,3 1,1 FG -0,3 0,2 F
45°-45° 20 7,2 1,2 H -0,3 0,4 F
45°
0°-90° 20 4,9 0,6 EF -1,1 0,3 DE
15°-75° 20 3,8 0,8 BC -1,7 0,5 C
30°-60° 20 4,2 0,9 CD -1,1 0,4 DE
45°-45° 20 4,9 1,1 EF -2,5 0,4 B
55°
0°-90° 20 4,3 0,6 CD -1,3 0,4 D
15°-75° 20 3,0 0,4 A -2,3 0,2 B
30°-60° 20 3,6 0,6 B -1,3 0,4 CD
45°-45° 20 4,3 0,8 D -2,4 0,3 B
65° 30°-60° 20 2,9 0,3 A -1,2 0,2 DE
45°-45° 20 2,7 0,8 A -3,2 0,7 A
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
80
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.
angle
d'attaque
orientation
de coupe
nombre
d‟échantillons
force parallèle (N/mm) force normale (N/mm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 20 7,4 1,4 E*
-1,5 0,8 GH
15°-75° 20 6,8 1,0 E -1,4 0,7 H
30°-60° 20 7,6 1,5 E -1,3 0,4 H
45°-45° 20 9,6 1,7 F -2,5 0,3 CD
45°
15°-75° 20 4,2 0,7 AB -2,0 0,5 EF
30°-60° 20 7,2 1,2 E -1,8 0,3 FG
45°-45° 20 7,3 1,7 E -2,7 0,4 BC
55°
0°-90° 20 5,6 0,9 D -2,2 0,6 DE
15°-75° 20 4,5 0,6 BC -2,6 0,3 C
30°-60° 20 4,9 1,0 C -2,2 0,6 DE
45°-45° 20 5,7 1,3 D -3,0 0,4 B
65°
0°-90° 20 4,7 0,8 BC -2,4 0,4 CD
15°-75° 20 3,8 0,5 A -1,8 0,3 FG
30°-60° 20 3,9 0,6 A -2,5 1,0 CD
45°-45° 20 3,9 1,0 A -4,0 0,5 A
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
81
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.
angle
d'attaque
orientation
de coupe
nombre
d‟échantillons
force parallèle (N/mm) force normale (N/mm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 15 8,0 1,4 FG* -0,5 0,2 G
15°-75° 20 8,5 1,1 G -2,0 0,4 DE
30°-60° 20 10,0 2,3 H -0,5 0,4 G
45°-45° 20 13,6 2,0 I -0,5 0,5 G
45°
0°-90° 19 8,4 2,7 FG -1,0 1,0 F
30°-60° 20 7,5 1,7 EF -2,2 0,5 CD
45°-45° 20 8,9 1,9 GH -3,5 0,6 A
55° 30°-60° 20 5,8 1,3 BC -1,7 0,4 E
45°-45° 20 6,9 1,7 DE -2,1 0,6 CDE
65°
0°-90° 19 6,1 0,9 CD -2,4 0,5 C
15°-75° 20 5,3 0,7 B -3,0 0,3 B
30°-60° 20 4,6 1,2 A -3,0 0,6 B
45°-45° 20 5,3 1,3 B -2,9 0,6 B
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
82
Annexe B
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.
angle
d'attaque
orientation
de coupe
nombre
d‟échantillons
fil arraché (µm) ondulation moyenne ou Wa (µm) rugosité moyenne ou Ra (µm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 20 986 812 F* 180,2 103,9 B 86,4 25,3 E
15°-75° 20 647 319 EF 99,4 40,6 AB 70,7 9,5 CD
30°-60° 20 473 304 BCD 64,2 61,8 AB 57,9 10,7 ABC
45°-45° 20 425 277 ABC 58,4 42,5 AB 49,9 8,1 AB
45°
0°-90° 20 746 567 EF 126,1 59,7 AB 77,1 17,9 DE
15°-75° 20 717 731 DE 119,7 129,8 AB 71,9 20,0 CDE
30°-60° 20 401 247 ABC 51,0 48,9 A 57,3 14,1 ABC
45°-45° 20 478 333 ABCD 74,7 69,2 AB 53,4 7,2 AB
55°
0°-90° 20 565 472 CDE 76,6 58,9 AB 57,6 15,3 BC
15°-75° 20 437 241 ABC 51,1 33,2 A 58,6 10,0 ABC
30°-60° 20 420 263 ABC 52,3 51,0 A 54,2 8,8 AB
45°-45° 20 387 248 AB 52,7 42,2 AB 49,5 6,4 AB
65°
0°-90° 20 332 157 A 39,0 31,3 A 43,6 4,8 A
15°-75° 20 388 186 AB 48,7 32,1 A 50,0 7,3 AB
30°-60° 20 348 207 A 35,4 37,4 A 47,7 8,0 AB
45°-45° 20 470 308 ABCD 67,5 65,8 AB 48,3 6,9 AB
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
83
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.
angle
d'attaque
orientation
de coupe
nombre
d‟échantillons
fil arraché (µm) ondulation moyenne ou Wa (µm) rugosité moyenne ou Ra (µm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 20 2172 1360 E* 494,0 169,9 C 121,8 24,4 H
15°-75° 20 1471 850 DE 287,1 129,8 B 102,8 17,5 FG
30°-60° 20 710 536 BC 115,9 89,0 A 71,4 15,9 D
45°-45° 20 571 401 BC 86,4 61,0 A 66,7 19,7 BCD
45°
0°-90° 20 1686 1259 DE 334,2 174,0 B 112,3 25,6 GH
15°-75° 20 1386 1321 D 271,8 214,1 B 93,5 20,2 EF
30°-60° 20 581 414 BC 89,0 75,6 A 63,8 15,5 ABCD
45°-45° 20 546 388 AB 85,5 67,2 A 55,1 12,6 AB
55°
0°-90° 20 1287 1361 D 254,7 208,5 B 87,7 28,1 E
15°-75° 20 677 409 C 103,8 62,7 A 70,4 13,1 CD
30°-60° 20 538 400 AB 74,0 72,3 A 56,0 12,9 ABC
45°-45° 20 559 431 ABC 83,4 60,3 A 51,1 8,9 A
65°
0°-90° 20 503 300 AB 87,7 63,0 A 50,3 7,5 A
15°-75° 20 583 567 ABC 98,8 81,1 A 61,1 18,1 ABCD
30°-60° 20 426 297 A 58,3 59,1 A 52,8 11,0 AB
45°-45° 20 583 514 ABC 99,4 97,6 A 53,4 10,7 AB
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
84
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.
angle
d'attaque
orientation de
coupe
nombre
d‟échantillons
fil arraché (µm) ondulation moyenne ou Wa (µm) rugosité moyenne ou Ra (µm)
moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe moyenne écart type groupe
35°
0°-90° 15 3849 2495 G*
984,8 373,6 I 147,5 30,2 H
15°-75° 20 3121 2488 G 717,4 323,5 H 127,3 31,5 FG
30°-60° 20 1480 1721 DE 278,4 218,1 DE 74,3 19,3 CDE
45°-45° 20 696 446 AB 118,3 76,5 AB 58,5 11,5 AB
45°
0°-90° 19 4094 3124 G 973,0 468,0 I 138,1 41,1 GH
15°-75° 18 2289 1779 FG 477,4 294,4 FG 116,6 21,6 F
30°-60° 20 1126 1239 CDE 227,7 247,6 BCD 71,0 17,4 BCD
45°-45° 20 787 687 ABC 135,2 104,7 AB 59,7 17,2 ABC
55°
0°-90° 20 2678 2441 FG 590,7 355,8 GH 112,5 32,9 F
15°-75° 20 1453 1288 E 267,5 172,4 CDE 83,4 17,0 DE
30°-60° 20 1009 1115 ABC 179,2 206,7 ABCD 70,3 19,6 BCD
45°-45° 20 861 861 ABC 148,1 123,4 ABC 54,5 11,8 A
65°
0°-90° 19 1849 2176 EF 396,8 281,5 EF 87,6 38,3 E
15°-75° 20 935 792 BCD 173,2 101,9 ABCD 70,8 21,2 BCD
30°-60° 20 665 491 A 104,7 80,4 A 59,6 13,4 AB
45°-45° 20 779 576 ABC 143,2 97,6 ABC 61,5 15,9 ABC
*moyennes, dans une colonne, suivies d‟une même lettre, sont statistiquement égales au seuil de 5% de niveau de probabilité.
85
Annexe C
Tableau C. Résultats de l‟analyse principale de variance des efforts de coupe et des facteurs de la qualité de surface.
source de variation d.l. fil arraché
ondulation
(facteur 1)
rugosité
(facteur 2) d.l.
force parallèle force normale
valeur F prob>F valeur F prob>F valeur F prob>F valeur F prob>F valeur F prob>F
orientation de coupe 3 46,98 <,0001 76,45 <,0001 9,31 <,0001 3 35,75 <,0001 102,53 <,0001
angle d'attaque 3 55,95 <,0001 26,51 <,0001 44,45 <,0001 3 324,18 <,0001 291,84 <,0001
orientation*angle 9 9,18 <,0001 3,27 0,0009 9,36 <,0001 9 20,92 <,0001 33,82 <,0001
profondeur 2 814,38 <,0001 607,76 <,0001 27,67 <,0001 2 1021,96 <,0001 152,34 <,0001
orientation*profondeur 6 19,73 <,0001 9,81 <,0001 9,72 <,0001 6 18,73 <,0001 68,46 <,0001
angle*profondeur 6 2,65 0,0153 1,65 0,1305 7,90 <,0001 6 38,55 <,0001 48,13 <,0001
orientation*angle*profondeur 18 2,23 0,0025 2,03 0,0072 1,95 0,0108 12 14,02 <,0001 31,61 <,0001
86
Annexe D
Tableau D.1. Corrélation entre les efforts de coupe et la masse volumique basale pour
chaque condition de coupe.
condition de coupe corrélation: masse
volumique - force
parallèle
corrélation: masse
volumique - force
normale orientation
profondeur
(mm) R valeur P R valeur P
0°-90° 2 0,3815 0,097 -0,5179 0,019
3 -0,1107 0,652 -0,0842 0,732
15°-75° 2 0,2529 0,282 -0,4430 0,051
3 0,3242 0,163 -0,2171 0,358
30°-60°
1 0,2433 0,301 -0,4390 0,053
2 0,0671 0,779 -0,2826 0,227
3 0,0863 0,718 -0,3524 0,128
45°-45°
1 0,0449 0,851 0,1724 0,467
2 0,0788 0,741 -0,1738 0,464
3 -0,1453 0,541 0,1005 0,673
R: Coefficient de Pearson (α=0,01)
87
Tableau D.2. Corrélations entre les facteurs de qualité de surface et la masse volumique
basale pour chaque condition de coupe.
condition de coupe corrélation: masse
volumique - fil arraché
corrélation: masse
volumique – ondulation
ou facteur 1
corrélation: masse
volumique – rugosité ou
facteur 2 orientation
profondeur
(mm) R valeur P R valeur P R valeur P
0°-90°
1 0,2241 0,3423 0,1639 0,4899 -0,1654 0,4858
2 0,2797 0,2323 0,1639 0,4899 0,0196 0,9348
3 0,0298 0,9035 0,1175 0,6318 -0,0561 0,8194
15°-75°
1 0,1068 0,6541 -0,0196 0,9348 -0,1128 0,6359
2 0,0993 0,6772 0,2662 0,2567 -0,3038 0,1929
3 0,1248 0,6001 0,2812 0,2297 -0,3774 0,1009
30°-60°
1 0,0571 0,8109 0,3729 0,1053 -0,1940 0,4125
2 0,1564 0,5103 0,2436 0,3007 -0,0451 0,8502
3 0,3985 0,0818 0,5639 0,0096* -0,3248 0,1623
45°-45°
1 -0,3158 0,1750 0,0722 0,7623 -0,3248 0,1623
2 -0,1985 0,4015 0,0286 0,9048 -0,0767 0,7479
3 -0,1850 0,4350 0,0812 0,7336 -0,2677 0,2539
R: Coefficient de Pearson (α=0,01)
*corrélation significative