L'objectif de cette recherche était d'améliorer le rabotage de deux bois très utilisés au Québec, l'érable à sucre et l'épinette noire. L'étude d'outils de coupe hélicoïdaux à angles d'hélice élevés a été décidée comme axe d'amélioration. Ainsi, 3 outils hélicoïdaux (angle d'hélice de 40˚, 50˚ et 60˚) et un outil droit (témoin) ont été fabriqués et montés tour à tour sur une CNC 5 axes. Chacun de ces outils a été utilisé à trois vitesses d'avance par couteau (FK). Les efforts de coupe, le niveau sonore et la consommation de puissance étaient alors mesurés. La qualité de surface des planches usinées a ensuite été évaluée. Pour l'érable à sucre, les efforts de coupe et le son produit augmentaient avec l'augmentation de FK pour les quatre outils de coupe. Les outils hélicoïdaux ont produit moins d'efforts de coupe parallèles (F[indice]P), normaux positifs et négatifs (F[indice]NP et F[indice]NN) et résultants (F[indice]R) que ceux de l'outil témoin. Les efforts F[indice]P et F[indice]R avaient tendance à diminuer quand l'angle d'hélice augmentait. Seul les efforts latéraux (F[indice]L) avaient tendance à augmenter avec des outils à angle d'hélice importants. Ces mêmes outils ont requis moins de puissance à faible FK, et le plus gros avantage provenait du niveau sonore, étant plus faible avec les angles d'hélice les plus élevés. Parmi ces paramètres, peu de différences significatives ont été trouvées entre les outils à 50˚ et 60˚. Pour l'épinette noire, augmenter FK augmentait le son et les efforts F[indice]P, F[indice]L et F[indice]R. Comme pour l'érable à sucre, les outils hélicoïdaux ont requis moins de F[indice]P, F[indice]NP, F[indice]NN et F[indice]R que l'outil témoin. Aussi, F[indice]P et F[indice]R avaient tendance à diminuer quand l'angle d'hélice augmentait, seulement à la plus grande FK. Augmenter l'angle d'hélice avait tendance à augmenter F[indice]L. Cependant, l'outil témoin produisait des efforts de coupe latéraux importants, similaires à ceux de l'outil à faible angle d'hélice (40˚). Par ailleurs, les paramètres de rugosité R[indice]k et R[indice]pk ont montré la meilleure précision pour évaluer la rugosité et la perception tactile des surfaces rabotées des deux essences. La rugosité augmentait au fur et à mesure que l'angle d'hélice et FK augmentaient. Les surfaces rabotées avec les outils hélicoïdaux présentaient une texture pelucheuse. Pour l'érable à sucre, les différences entre l'outil droit et celui à 40˚ étaient faibles. La rugosité des planches d'épinette noire avait tendance à augmenter avec l'augmentation de l'angle d'hélice, et cet effet dépendait de FK. L'outil droit a produit la rugosité la plus faible, à chaque FK. Les outils hélicoïdaux ont produit la plus grande rugosité, résultante d'une grande fibrillation. Ces défauts étaient plus prononcés que ceux obtenus avec l'érable à sucre, et encore plus présents avec les couteaux à 50˚ et 60˚, à FK moyen et élevé (2,9 et 4,7 mm respectivement). Le rabotage pourra donc être amélioré en travaillant à moyen FK (2,9 mm) pour optimiser la productivité, ou à faible FK (1,3 mm) pour minimiser la rugosité de surface. En usinage de l'érable à sucre, un outil à angle d'hélice de 50˚ est recommandé pour diminuer les efforts de coupe et le son. Un outil de 40˚ est à privilégier, si la qualité de surface est un critère important. Pour l'épinette noire, en première transformation, un angle d'hélice de 50˚ est envisageable. Les surfaces obtenues seront cependant très pelucheuses. Un outil à angle d'hélice de 40˚ est alors un bon compromis pour une meilleure qualité de surface, si besoin. Pour fins de finition, un couteau droit est préférable pour raboter l'épinette noire. / The main objective of this research was to improve the planing of two wood species widely used in Quebec, sugar maple and black spruce. The study of helical cutting tools with high helix angles was decided for this purpose. Thus, three helical tools (helix angle of 40˚, 50˚ and 60˚) and a straight one (control) were manufactured and mounted on a 5-axis CNC. For each tool, the variations in cutting forces, sound level and power consumption for three feeds per knife (FK) were acquired. Finally, the surface quality of machined boards was evaluated. For sugar maple wood, all cutting forces and sound level produced by planing increased as FK increased for all cutting tools. The helical tools produced lower parallel (F[subscript]P), normal positive and negative (F[subscript]NP and F[subscript]NN), and resultant (F[subscript]R) cutting forces than the control tool. F[subscript]P and F[subscript]R tended to decrease as the helix angle increased. Only lateral forces (F[subscript]L) tended to increase with the increase in helix angle. Tools with high helix angles required lower power at low FK, However, the main advantage of these tools was the great reduction of the noise level compared to the straight tool. Among these parameters, few significant differences were found between the 50˚and 60˚ tools. For black spruce wood, sound level, F[subscript]P, F[subscript]L, and F[subscript]R increased as FK increased. As with sugar maple, the helical tools produced lower F[subscript]P, F[subscript]NP, F[subscript]NN and F[subscript]R than the control tool. Also, F[subscript]P and F[subscript]R tended to decrease as the helix angle increased, for the highest FK. Increasing the helix angle tended to increase F[subscript]L. However, the control tool produced high lateral cutting forces, similar to that produced by the low helix angle(40˚) tool. In addition, the roughness parameters R[subscript]K and R[subscript]PK showed the best precision for evaluating the roughness and the tactile perception of the planed surfaces of the two species. The roughness increased as the helix angle and FK increased. Surfaces planed with the helical tools showed a fuzzy texture. For sugar maple, the differences between the straight tool and the 40˚ tool were small. The roughness of black spruce boards tended to increase with increasing helix angle, and this effect depended on FK. The straight tool produced the lowest roughness at each FK. The helical tools produced the highest roughness, resulting in high fibrillation. These defects were more pronounced than those obtained with sugar maple, and even more present with the tools at 50˚ and 60˚, at medium and high FK (2.9 and 4.7 mm respectively). Planing can therefore be improved by working at medium FK (2.9 mm) to optimize productivity, or at low FK (1.3 mm) to minimize surface roughness. When machining sugar maple, a 50˚ helix angle tool is recommended to reduce cutting forces and sound level. A 40˚ tool is to be preferred if the surface quality is an important criterion. For black spruce wood, in primary processing, a helix angle of 50˚ is possible. The surfaces obtained will be however very fuzzy. A 40˚ helix angle tool could be a good compromise for better surface quality. For finishing purposes, a straight knife appears as a better option for planing black spruce wood.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/72982 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Wellenreiter, Paul |
| Contributors | Blais, Carl, Hernández, Roger |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xiv, 114 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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