La coupe du bois vert

Introduction et principe des essais 

La littérature a permis d’identifier l’influence de divers paramètres sur la fragmentation du copeau lors de l’équarrissage du bois vert. Néanmoins, les paramètres régissant les efforts de coupe générés par ce procédé ne sont pas encore quantifiés. Les mécanismes de coupe ainsi que l’état de la matière dans la zone de coupe sont très peu connus dans le cadre de l’équarrissage. (Pfeiffer, 2015) et (Kuljich et al., 2013) se sont récemment attachés à l’étude de ce problème. Le procédé de déchiquetage dispose d’une littérature plus fournie. Ce procédé « cousin » de l’équarrissage donne des indications sur les phénomènes mis en jeu lors de l’équarrissage mais elles ne sont pas toutes transposables à ce dernier. La principale faiblesse de cette comparaison réside dans les directions de coupe différentes des deux procédés. Dans le cadre de l’équarrissage, sans l’être parfaitement, le bois est sollicité de manière tangentielle, puisque la direction de coupe est parallèle aux cernes de croissance. Dans le cas du déchiquetage, il est à la fois sollicité radialement et tangentiellement, l’outil traversant l’intégralité de la section de tronc (ou de branche) et tous les cernes. Restent les travaux généraux menés sur l’usinage du bois lors de la seconde transformation, c’est-à-dire très similaire au fraisage comme entendu conventionnellement dans l’usinage des matériaux métalliques. Etant donné le caractère hygroscopique du bois, on ne peut pas considérer les généralités connues sur l’usinage du bois sec comme forcément valides dans le cas du bois vert. En effet, la plupart des caractéristiques mécaniques du bois sont très sensiblement réduites dès qu’on utilise le bois à l’état vert (Kollmann, 1968). L’homothétie à faire en termes de sections coupées est également forte. Si en seconde transformation l’épaisseur moyenne de copeau est de l’ordre du millimètre, voire moins selon les opérations, elle est de plusieurs centimètres au cours de la coupe par canters. L’objectif de la présente étude expérimentale est donc de compléter l’information disponible sur l’influence des principaux paramètres de coupe lors de l’usinage (à fortes sections) du bois vert sur les efforts de coupe, tout en vérifiant que les géométries de plaquettes obtenues sont bien en concordance avec les résultats de la littérature. On apportera une attention particulière à la régularité de la fragmentation. Les relations et tendances identifiées serviront de point de comparaison afin de valider le modèle numérique de coupe présenté et développé dans les chapitres suivants. Pour mener à bien cette étude, en traitant chaque paramètre indépendamment, le procédé de coupe orthogonale (rabotage) sur Machine-Outil à Commande Numérique d’Usinage Grande Vitesse (MOCN UGV) a été privilégié (Figure 2.1) pour ses avantages suivants : • Il permet une instrumentation très flexible car les fraiseuses à commande numérique possèdent des codeurs incrémentaux à haute résolution permettant de connaître les positions des éléments mobiles en temps réel. De plus, la table d’usinage est un environnement propice à l’implémentation de capteurs externes additionnels. • Les efforts admissibles par ce type d’équipement sont relativement importants et permettent de retirer des sections importantes. Elles sont de plus, pour la plupart, très rigides. • Cette configuration de coupe permet d’isoler les paramètres liés au procédé désirés car toutes les grandeurs sont paramétrables de manière indépendante et sont répétables au cours d’un essai. • L’utilisation d’un mouvement linéaire simplifie grandement la détermination des positions et orientations dans la matière facilitant l’interprétation des résultats. Notons néanmoins son principal défaut qui est de ne pas permettre une vitesse de coupe aussi élevée que sur un canter (2 m/s contre environ 60 m/s pour un canter), et des efforts tout de même moindres que lors de l’équarrissage. Les conditions de coupe (surtout en termes de vitesse) sont toutefois nettement supérieures à celles d’essais quasi-statiques comme nous le montrerons par la suite. 

La coupe orthogonale 

Nomenclature 

L’opération de coupe orthogonale (on parle également de « rabotage ») possède un vocabulaire propre qu’il convient d’utiliser et qui diffère de celui de l’équarrissage ou même du fraisage en général. Des grandeurs égales peuvent porter des noms différents. Le Tableau 2.1 propose un parallèle entre les deux nomenclatures afin d’éviter les ambiguïtés.Dans la suite de ce chapitre, ainsi que dans les deux suivants, le vocabulaire utilisé sera celui de la coupe orthogonale (rabotage). La troisième colonne du Tableau 2.1 indique également la correspondance entre les paramètres de coupe et les dimensions des plaquettes générées dans le cas de rabotage 90° – 90°. En effet, si on considère que longueur – largeur – épaisseur des plaquettes correspondent aux directions longitudinale – radiale – tangentielle, dans ce cas particulier la longueur des plaquettes correspond à l’épaisseur coupée et la largeur à la largeur coupée. Dans le cas où la direction du fil varie, ce parallèle n’est plus exact pour la longueur de plaquette (voir Figure 2.2) mais un calcul trigonométrique permet de la recalculer aisément.

Plan d’expérience 

Une étude exhaustive de chaque paramètre identifié dans le premier chapitre comme influençant les efforts de coupe ou la fragmentation du copeau serait extrêmement ambitieuse. De plus, comme indiqué dans l’introduction, ce n’est pas la stratégie qui a été adoptée pour ces travaux de thèse. Aussi, des choix ont dû être effectués parmi les paramètres à étudier expérimentalement, ceux-ci sont basés sur des critères parfois subjectifs mais les soussections suivantes visent à expliciter les raisons de ces choix. Les paramètres retenus sont de natures variées : la section du copeau h × b, la direction de coupe GD, la vitesse de coupe Vc, et l’angle de bec β. Le mode de coupe a également fait l’objet d’observations (Figure 2.3). 

Section du copeau

La section du copeau (h × b) est le critère fondamental régissant les efforts instantanés de coupe en usinage. Les deux grandeurs associées seront considérées séparément. Largeur de coupe (b) Seulement deux modalités de largeurs coupées ont été testées car il s’agit du paramètre sur lequel les effets sont connus dans la plage admissible de nos équipements les efforts étant généralement directement proportionnels à la largeur coupée. Les essais se font donc à titre de vérification avec les modalités choisies de 5 mm et 10 mm. Ces largeurs permettent de limiter les efforts de coupe tout en assurant une cohésion des plaquettes correcte comme il a pu être constaté lors des essais. Une largeur coupée plus fine entraînerait un risque de décohésion de la plaquette comme observé par (Pfeiffer, 2015) suivant les cernes ou toute autre singularité du bois entraînant une instabilité de fragmentation. Une largeur plus élevée générerait quant à elle des efforts trop importants réduisant les plages admissibles pour les autres paramètres de coupe plus « intéressants » car les essais présentés se font en limites de capacité de la MOCN (blocage de l’axe linéaire de la machine). Epaisseur coupée (h) L’état de l’art réalisé en premier chapitre montre que ce paramètre a déjà fait l’objet de plusieurs études dont les conclusions étaient une influence linéaire sur les efforts de coupe. Cependant la variabilité de ces résultats et la diversité des mécanismes de coupe décrits justifient que ce paramètre fasse l’objet d’une étude complémentaire. En particulier, chacune des études évaluant l’impact sur la fragmentation du copeau ont été conduites sur une plage relativement restreinte qui ne permet pas de décrire dans le même environnement expérimental une plage étendue et complète de variation d’épaisseur. Le parti pris a été d’étudier une plage la plus large possible dans les limites des moyens d’essais disponibles afin de disposer d’observations à même d’affiner le modèle de coupe proposé. Les modalités de ce paramètre vont du millimètre jusqu’à 15 mm. Ainsi les sections coupées maximum seront de 10 × 15 mm². Cette dimension précise a été étudiée par (Pfeiffer,  2015) et les efforts enregistrés avec un ensemble de paramètres proche de celui qui est employé, montrent des efforts à la limite de ceux considérés comme admissibles par notre montage de rabotage. 

Direction de coupe (GD)

 Les études présentées dans l’état de l’art ont montré que la position du billon n’est pas anodine au cours de l’équarrissage car elle modifie la cinématique de la coupe, notamment l’angle GD formé entre la direction de coupe et la direction du fil du bois ainsi que l’angle d’attaque (Kuljich et al., 2013; Laganière, 2004). Une limitation de ces travaux est la faible plage d’angles testés car l’étude ne concerne que des arbres de faibles diamètres. Hors les canters européens, et entre autres français, usinent des arbres aux diamètres bien plus importants et nécessitent donc des connaissances sur une plage plus étendue. En conséquence, ce contexte impose d’étudier l’influence de cet angle (qu’on appellera GD) lorsqu’il varie de 10° à 110°. La littérature ayant déjà montré que la coupe à contre-fil est peu recommandée, l’attention sera portée sur les angles inférieurs à 90° et en particulier de 40° à 90°. Le plan d’expérience initial est d’adopter des pas de 5° avec 6 répétitions à chaque fois, hormis pour les très faibles angles (10°, 20° et 30°) où seulement 3 répétitions sont visées. Ceci dû au fait que ces angles sont extrêmement complexes à atteindre pour les canters actuels car ils leur demanderaient d’avoir un diamètre colossal (plusieurs mètres). Ces angles sont donc étudiés à titre purement exploratoire.