Titre de l'écran-titre (visionné le 25 janvier 2024) / L'objectif principal de cette thèse fut d'évaluer les effets de la vitesse de coupe et d'avance d'une équarrisseuse-fragmenteuse sur la coupe de billes d'épinette noire en conditions gelées et non gelées. Les critères d'évaluation furent la distribution des dimensions des copeaux papetiers, la qualité de la surface des équarris et l'énergie requise de coupe. Neuf groupes de billes ont été transformés à 20, 25 et 30 m/s de vitesse de coupe, à 19, 25 et 32 mm d'avance par couteau et à -13°C et 19°C. La distribution de la taille des copeaux a été évaluée selon leurs épaisseur, largeur et longueur. La taille des copeaux a diminué à mesure que la vitesse de coupe augmentait ou que la vitesse d'avance diminuait. Les billes gelées ont produit de plus petits copeaux et plus minces que celles non gelées. L'angle du fil du bois et la proportion des nœuds ont eu des impacts importants sur la taille des copeaux. Par ailleurs, la surface des équarris a été évaluée par des paramètres d'ondulation, de rugosité et du fil arraché. Cette surface était meilleure à mesure que la vitesse d'avance diminuait. Elle a eu également tendance à être meilleure à des vitesses de coupe plus grandes. L'ondulation et le fil arraché produits furent similaires pour le bois gelé et non gelé. Les nœuds et la fibre torse à gauche ont contribué à réduire la qualité de la surface. La puissance moyenne requise était plus grande à mesure que la vitesse de coupe ou celle d'avance augmentaient. Par contre, l'énergie spécifique de coupe a augmenté avec l'augmentation de la vitesse de coupe et la diminution de la vitesse d'avance. Le bois gelé a requis davantage d'énergie de coupe que celui non gelé. Cette thèse montre qu'un choix judicieux des paramètres de coupe, ainsi qu'un bon suivi des caractéristiques des billes, particulièrement les propriétés des nœuds et la présence de fibre torse dans les billes, permettront d'améliorer la qualité des copeaux et des surfaces produites par cette machine. De plus, l'optimisation des paramètres de coupe visant à diminuer l'ondulation, contribuera également à réduire la profondeur du fil arraché, évitant ainsi les pertes de matière. Enfin, les résultats permettront également d'ajuster les paramètres de coupe de l'équarrisseuse-fragmenteuse afin de minimiser la consommation d'énergie des scieries. / The main objective of this study was to evaluate the effect of the cutting speed, the feed per knife and temperature condition of black spruce logs on the performance of a chipper-canter. The evaluation criteria chosen were the chip size distribution, the surface quality of the cants and the energy requirements during cutting. For this purpose, nine groups of logs were transformed at 20, 25 and 30 m/s of cutting speed, 19, 25 and 32 mm of feed per knife, and at -13 °C and 19 °C. The chip size distribution was evaluated according to their thickness, width, and length. Results showed that thinner chips were produced with the increase of the cutting speed or decrease of the feed per knife. Frozen wood produced a greater proportion of small chips and thinner chips compared to unfrozen wood. The grain angle and the proportion of knots were the main significant covariates for the chip size distribution. Moreover, the surface quality was evaluated by parameters of waviness, roughness, and torn grain. The results showed that the surface quality improved as the feed per knife decreased. Surface quality has also shown a tendency to be better with greater cutting speeds. The waviness and depth of the torn grain were similar for both frozen and unfrozen wood. The knots characteristics and the presence of left handed spiral grain contributed to reduce the quality of the surface. The mean power demanded was greater as the cutting speed or the feed per knife increased. On the other hand, the specific cutting energy increased with the increase in cutting speed and the decrease in feed per knife. For all the evaluated parameters, the energy consumption was higher for frozen wood. This thesis demonstrates that a careful choice of the cutting parameters, as well as monitoring the wood characteristics, particularly the knot properties and the presence of spiral grain, will lead to quality improvements in chip size distribution and surfaces produced by this machine. In addition, the optimization of the machining parameters to reduce waviness will also help to reduce the depth of the torn grain thus avoiding material loss. Finally, the results also will allow adjustments in the cutting parameters of chipper-canters to minimize the energy consumption of sawmills.

Les équarrisseuses-fragmenteuses sont largement utilisées par les industries de première transformation des bois de l'Est Canadien. Les scieries cherchent les meilleures conditions de coupe afin d'obtenir des surfaces d'équarris assez lisses et produire des copeaux d'une meilleure qualité, avec le minimum de consommation d'énergie. Le but de cette recherche fut d'évaluer la performance de ces machines lors du travail de billes d'épinette noire conditionnées à différentes températures, teneurs en humidité et largeurs de coupe. Ainsi, quatre groupes de billes ont été usinés à des températures de 20°C, 0°C, -10°C et -20°C. Chaque bille a été transformée à deux teneurs en humidité (à l'état vert et sec à l'air) et deux largeurs de coupe, soit 12,7 et 25,4 mm. Dans un premier volet, la qualité de copeaux a été évaluée selon l'épaisseur, la largeur et la longueur. Les copeaux plus minces et le volume plus élevé de petites particules ont été obtenus avec une largeur de coupe plus petite. De plus, la diminution de la température en bas de 0°C a produit des copeaux plus minces. L'effet de la température sur l'épaisseur moyenne des copeaux dans des conditions de billes gelées variait avec la teneur en humidité des billes. Le deuxième volet a été consacrée à la consommation d'énergie. L'énergie consommée et l'énergie spécifique de coupe furent plus élevées lors de la coupe de billes gelées. Une largeur de coupe plus grande nécessitait davantage d'énergie, en raison du volume plus élevé de bois transformé en copeaux. Cependant, l'énergie spécifique de coupe fut plus faible pour la largeur de coupe plus grande. Ce comportement a été relié au niveau plus élevé de fragmentation survenu avec la largeur de coupe de 12.7 mm. Le dernier volet a évalué l'effet de la température et de la largeur de coupe sur la qualité de surface des équarris. L'ondulation et la rugosité furent plus élevées pour les billes gelées. La largeur de coupe a affecté également l'ondulation et la profondeur du fil arraché. La surface était plus rugueuse, plus ondulée et présentait des fils arrachés plus profonds lorsque la largeur de coupe était plus grande. Enfin, les nœuds se sont avérés très importants pour affecter la taille des copeaux et la qualité de surface des équarris. Ainsi, un meilleur contrôle de la température des billes et des propriétés des nœuds dans une ligne de production permettra d'ajuster les paramètres de coupe et d'optimiser le positionnement des billes afin d'améliorer la performance des équarrisseuses-fragmenteuses. / Chipper-canters are widely used by primary wood processing in Eastern Canada. Sawmills are always looking for better cutting conditions to obtain smooth cant surfaces and produce better chips quality with minimum energy consumption. The purpose of this research was to evaluate the effects of log temperature, moisture content and cutting width on the performance of chipper-canter. Four groups of black spruce logs were processed at temperatures of 20°C, 0°C, -10°C, and -20°C. Each log was transformed at two moisture contents (green and air-dried) and two cutting widths, 12.7 and 25.4 mm. Firstly, the quality of chips was assessed by thickness, width, and length. The results showed that thinner chips and high proportions of small particles were obtained at the smaller cutting width. In addition, the decrease of the temperature below 0°C produced thinner chips. The effect of temperature on mean chip thickness under frozen log conditions varied with log moisture content. The second part was devoted to energy consumption. The energy consumption and the specific cutting energy were greater when cutting frozen logs. In addition, a larger cutting width required more energy, due to the higher volume of removed wood transformed into chips. However, the specific cutting energy was lower for the larger cutting width. This behavior was related to the higher level of fragmentation that occurred with the 12.7 mm cutting width. Finally, the effects of temperature and cutting width on the surface quality of cants were evaluated. Waviness and roughness were higher for frozen logs. The cutting width also affected the waviness and the depth of the torn grain. The surface was rougher, wavier and had deeper torn grain as the cutting width increased. Furthermore, the knots proved to be a very important parameter affecting the chip size and the surface quality of cants. Thus, a better control of log temperature and knot features will allow to adjust cutting parameters and optimize log positioning in order to improve the performance of chipper-canters.

Le but principal de cette étude fut d’évaluer les effets du diamètre de la tête porte-outils et de la position d’alimentation des billes sur la performance des équarrisseuses-fragmenteuses. Les critères de cette évaluation furent la consommation d’énergie durant la coupe, la distribution des dimensions des copeaux et la qualité de surface des équarris. Des billes d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P) furent alors transformées sous deux conditions de température, soit avec du bois gelé et non-gelé. La consommation d’énergie fut plus faible pour une tête porte-outils de 661,5 mm par rapport à celle de 448,7 mm. De plus, le mécanisme de formation des copeaux a été très affecté par l’angle d’attaque formé par la face d’attaque de fragmentation et le fil du bois (AA), lequel dépend de la position d’alimentation. Ainsi, son augmentation provoqua la diminution de l’épaisseur des copeaux ainsi que la réduction de la variation de la distribution des dimensions. Ce comportement a été vérifié pour deux diamètres de tête porte-outils (448,7 et 661,5 mm). Par ailleurs, la quantité maximale des copeaux acceptables fut obtenue lors de la fragmentation du bois non-gelé avec le plus grand AA testé pour les deux diamètres de tête. En ce qui concerne la qualité de surface des équarris, les essais ont été faits avec trois diamètres de tête porte-outils (345,2, 448,7 et 661,5 mm) et trois positions d’alimentation. La qualité de surface fut inférieure pour la tête de grand diamètre (661,5 mm) par rapport à celle obtenue avec les têtes de plus faible diamètre (448,7 et 345,2 mm). La diminution de l’AA a aussi provoqué une diminution de la qualité de surface des équarris. Par ailleurs, l’orientation de l’arête tranchante de finition par rapport au fil du bois affecta la qualité de surface. Cet effet a été relié à l'orientation des cernes de croissance et à la condition de température du bois. Enfin, la consommation d’énergie, la puissance maximale de même que la qualité de surface des équarris ont été plus grandes pour le bois gelé que pour celui non-gelé. La température des billes a aussi joué un rôle très important dans le mécanisme de formation des copeaux. Les billes gelées ont produit des copeaux plus minces par rapport aux billes non-gelées, indépendamment du diamètre de la tête porte-outils et de l’AA. / The main goal of this research was to evaluate the effects of the cutterhead diameter and log infeed position on the performance of a chipper-canter. The parameters used for this evaluation were the energy consumption, the chip size distribution and the surface quality of cants. Logs of black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P) were transformed at either frozen or unfrozen wood temperatures. Results showed that power and energy consumption were lower when processing logs with the bigger cutterhead diameter (661.5 mm) compared to the lower cutterhead diameter (448.7 mm). Furthermore, the attack angle between the chipping rake face and the grain direction (AA) played an important role in the mechanism of chip formation. This angle depends on the infeed position. Thus, as mean AA increased, the chip thickness and the variation of the size distribution decreased. The maximum amount of pulpable chips was produced during the fragmentation of unfrozen logs at the greater AA, for both cutterhead diameters (448.7 and 661.5 mm). For the evaluation of the surface quality of cants, three cutterheads (345.2, 448.7, and 661.5 mm) combined with three infeed positions were studied. Surface quality was lower when machining logs with the bigger cutterhead (661.5 mm) compared to the smaller cutterheads (448.7 and 345.2 mm). In addition, the effect of the angle of the canting edge with respect to the wood grain on cant surface quality depended on the orientation of the growth rings and on the temperature condition (frozen and unfrozen wood). Finally, the energy consumption, the chip size distribution and the surface quality of cants were affected by the temperature condition. Thus, frozen logs produced thinner chips and smoother cant surfaces with a greater energy consumption compared to unfrozen logs.

Le présent travail a eu comme objectif d'étudier l'influence de la hauteur et de la largeur du coupe sur la qualité de surface des équarris d'épinette noire produits par une équarrisseuse-fragmenteuse. Des billes de trois classes de diamètre ont été équarries selon deux largeurs de coupe chacune. Cette expérience fut répétée l'été et l'hiver afin d'étudier l'effet de l'usinage de billes gelées et non gelées sur la qualité de surface du bois. Cette qualité fut analysée en fonction des paramètres standards de rugosité et d'ondulation et de la profondeur du fil arraché. Les profils de rugosité et d'ondulation ont été pris selon les directions longitudinale et transversale au fil du bois. Les résultats ont montré des effets significatifs de la hauteur de coupe, la largeur de coupe et la température des billes sur la qualité de surface des équarris. Plus précisément, une augmentation de la hauteur de coupe a provoqué une augmentation de la rugosité longitudinale et transversale ainsi que de l'ondulation transversale du bois. Par contre, l'ondulation longitudinale diminua avec l'augmentation de la hauteur de coupe. La largeur de coupe a affecté également l'ondulation et la rugosité transversales du bois ainsi que la profondeur du fil arraché. La surface était plus rugueuse, plus ondulée et le fil arraché plus profond lorsque la largeur de coupe était plus grande. L'effet de la saison fut aussi très significatif: la rugosité et l'ondulation ont été supérieures à l'hiver qu'à l'été. Les résultats ont aussi montré que la rugosité et l'ondulation augmentent à mesure que la coupe avance vers le gros bout de la bille, ce qui est provoqué par l'augmentation constante de la hauteur et largeur de coupe. Également, la qualité de surface fut meilleure au début de la course qu'à la fin de la course de chaque couteau, c'est-à-dire, les surfaces étaient plus lisses en haut qu'en bas de l'équarri. L'orientation de l'arête tranchante par rapport au fil du bois devient de plus en plus oblique près de sa sortie de la bille, ce que nuit à la qualité de la surface. Finalement, une corrélation positive fut obtenue entre la rugosité, l'ondulation et le fil arraché. Ainsi, l'optimisation de l'usinage de la machine peut se faire en visant d'améliorer un seul paramètre de qualité.

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.