Báo cáo khoa học: " Recherche de critères de rugosité adaptés à la qualification de chants usinés de LVL"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: " Recherche de critères de rugosité adaptés à la qualification de chants usinés de LVL"

Article original Recherche de critères de rugosité adaptés à la qualification de chants usinés de LVL Boury Frédéric Mothe Sabine Cyril Galley Station a de recherches qualité des bois, Inra 54280 Champenoux, France la sur Laboratoire b bourguignon des matériaux et procédés, Ensam 71250 Cluny, France (Reçu le 20 novembre 1996 ; révisé le 16 janvier 1997 ; le 30 septembre 1997) accepté Résumé - Trente-deux chants d’éprouvettes, issus de panneaux expérimentaux de LVL et de planches de chêne, ont été classés selon trois méthodes : un test tactile servant de référence, une mesure par palpage mécanique et une mesure par analyse d’images. Les résultats montrent d’une part que la sensation tactile est plus sensible à l’anatomie et à une variation de l’angle du fil des placages que les deux méthodes objectives. D’autre part, l’amé- lioration du critère de rugosité obtenu par palpage a mis en évidence la fréquence et la hauteur des pics de surface qui semblent influencer le plus le sens tactile. Les deux méthodes objectives sont fortement corrélées entre elles (R 0,88) et sont influencées toutes deux par la profondeur des 2 = vallées, représentées ici par les éclats. (© Inra/Elsevier, Paris) usinage du bois / placage / LVL / rugosité / état de surface / Quercus Abstract - Research of roughness criteria for assessing the edge quality of LVL boards. Thirty-two edges of samples, issued from oak experimental LVL panels and boards, have been compared using three methods: a tactile test (the reference), measure with mechanical probe and measure with image analysis The results showed that the human being is more influenced by the anatomical roughness and the variation of veneer’s grain angle than the two objective methods. The improvement of the mechanical probe criterion has shown that the number and the height of the picks have an effect on the human sensation. Image analysis and mechanical probe are strongly correlated (R 2 = 0.88) and they are concerned with the depth of the valleys, i.e; the chips in this case. (© Inra/Else- vier, Paris) wood milling / veneer / LVL / roughness / surface quality / Quercus * Correspondance et tirés à part E-mail: mothe@nancy.inra.fr
MATÉRIEL ET MÉTHODES 1. INTRODUCTION 2. 2.1. Descriptif de l’échantillon Le LVL (Laminated Veneer Lumber) Les de rugosité décrites ci-après mesures est un lamellé-collé de placages déroulés 32 chants d’éprouvettes préle- porté ont sur de 2 à 5 mm d’épaisseur collés fil à fil vées dans des panneaux de LVL et des planches de chêne massif. (voir à ce propos [8]). Ce matériau a fait dernièrement l’objet d’un contrat euro- Six panneaux ont été confectionnés ; chacun constitué de 15 placages de chêne d’épais- est péen [9] au cours duquel les industriels seur 20/10 mm collés fil à fil (colle mélamine- de la menuiserie se sont aperçu que la sur- urée-formol). L’épaisseur finale des panneaux face usinée n’offrait pas une qualité suf- était d’environ 30 mm après pressage. fisante pour son emploi futur. En effet, la Des barres de 500 x 19 mm ont été déli- 2 qualité de la surface conditionne la réussite gnées dans ces panneaux ainsi que dans les du collage, de l’application de finitions et planches en suivant un angle de 0, 5, 10 ou 15° joue un grand rôle dans l’appréciation par rapport au fil du bois (figure 1). Les chants de chaque barre ont ensuite été usinés sur deux visuelle et tactile du produit final [4]. machines différentes afin d’obtenir une gamme de rugosité la plus large possible : Plusieurs éléments d’une fenêtre sont le premier chant a été toupillé dans le - fréquemment manipulés par et apparents du fil à l’aide d’une fraise au carbure ; sens les utilisateurs. Dans le cas du LVL, ce le chantopposé a été raboté à contre-fil. - sont surtout les chants qui posent un pro- Dans leur principe, les deux modes de coupe blème : l’alternance des couches de bois identiques (épaisseur de passe=4 mm, sont (placages) et des joints de colle leur donne vitesse d’avance 10 m·min vitesse de rota- , -1 = bien sûr un aspect particulier, forcément tion 6 000 tr·min mais l’état d’usure et la ) -1 = différent du bois massif, mais surtout, rend direction de coupe défavorable conduisaient à leur usinage difficile. Cela se traduit par un état de surface beaucoup plus dégradé avec la raboteuse qu’avec la fraiseuse. une qualité de surface souvent médiocre et Enfin, dans les parties nettes de défauts de une sensation désagréable au toucher. Pour chaque barre, ont été prélevées de une à trois étudier les conséquences d’éventuelles éprouvettes de section 12 x 30 mm et de lon- 2 améliorations du procédé de fabrication gueur 100 mm (18 LVL + 5 massifs). sur ce défaut, il serait utile de disposer de Les 32 chants finalement conservés pour critères d’évaluation objectifs reflétant au cette expérience comprennent les 24 surfaces mieux la perception subjective de l’utili- toupillées ainsi que 8 surfaces rabotées répar- sateur. ties dans les différentes classes d’angle du fil (tableau I). De fait, proposons ici de ce nous nous mesurer, par deux méthodes objectives, 2.2 Les de rugosité la qualité de surface des chants de LVL mesures de chêne en prenant comme référence la La ici de réfé- première méthode, qui sert rugosité tactile perçue par un utilisateur rence, est la méthode tactile (TACTO). Nous potentiel ou un industriel. Dans un pre- soustrait délibérément la vue aux tes- avons mier temps, nous comparerons les trois leur bandant les yeux. Les chants des teurs en méthodes en fonction du type d’usinage éprouvettes sont présentés par paires à des tes- teurs qui doivent noter l’état de surface : 0 pour et de la variation de l’angle du fil des pla- le moins rugueux, 1 pour le plus rugueux. cages par rapport au plan de coupe. Puis Chaque chant est présenté à deux reprises, cou- nous tenterons de nous rapprocher de la plé avec deux chants différents. La somme des sensation humaine en améliorant le cri- deux notes constitue la note de rugosité relative tère de palpage mécanique. du chant. La note tactile finale de chacun des
chants est la moyenne des notes obtenues par cédé a aussi été utilisé par Faust [3] et Korlak les 16 personnes qui ont effectué le test. [7]. L’écartement entre les lignes de balayage a été ici fixé à 2 mm de façon à ce que, comme La deuxième méthode (PALPO) utilise un dans la mesure PALPO, chaque pli du pan- palpeur mécanique constitué d’un stylet qui se neau soit intégré dans la mesure. Deux pas- déplace sur le chant des pièces, parallèlement sages sont effectués sur chaque chant avec deux aux plis (cet appareil a été conçu par J.R. Per- luminosités (85 et 115). L’écart type de rugo- rin et réalisé par J. Perrin à l’Inra de Nancy). La sité de la surface, EtrV, est calculé pour une pointe du stylet est constituée d’une bille de 1 luminosité de 100. mm de diamètre. Pour ces mesures, la prise de Remarques : Les unités des mesures VISO, données s’effectue tous les 0,25 mm sur une PALPO et TACTO ne sont en aucun cas com- longueur totale de 88 mm et sur chaque pli. parables entre elles. Seuls les différences rela- Nous obtenons ainsi 352 points par pli, à par- tives entre éprouvettes peuvent être compa- tir desquels peut être tracé un profil brut. Pour rées. Nous utiliserons pour cela les coefficients éliminer les ondulations (de fréquence plus de régression entre les notes de rugosité basse), on soustrait au profil brut un profil lissé TACTO et les différents critères calculés sur les 1 par moyennes flottantes de 40 mesures (soit profils VISO et PALPO. L’exploitation de ces cm de longueur). Le profil obtenu permet de coefficients ne doit pas être poussée au-delà calculer la profondeur moyenne de rugosité de cette comparaison car leur signification sta- Rz suivant la norme E 05-15 (Afnor, 1984) ; ce tistique est réduite en raison du mode de calcul critère est couramment employé pour caracté- des notes TACTO : cette variable peut être riser l’état de surface du bois : le profil étant considérée comme continue mais sa distribu- divisé en sept sections égales, cet indice est la tion est loin d’être normale et se cantonne dans moyenne des amplitudes maximales sur les l’intervalle [0,2]. cinq sections centrales (figure 2). Le critère RzP que nous utilisons pour caractériser l’ensemble de la surface est la moyenne des Rz calculés sur chaques plis. RÉSULTATS ET DISCUSSION 3. La dernière méthode utilisée (VISO) est un banc de rugosimétrie par vision laser, mis au point au CRITT-Bois d’Épinal [1].La méthode consiste en un balayage de la surface parallè- 3.1. Comparaison entre les rugosités lement aux plis, par un rayon laser rasant : les obtenues par les trois méthodes creux sont alors ombrés et les pics éclairés. de mesure Une caméra matricielle couplée à un ordina- teur permet alors d’analyser les niveaux de gris de la surface. Le tableau II présente les coefficients de régression entre les mesures TACTO, Cette méthode a déjà permis de mesurer la PALPO et VISO obtenus sur l’ensemble rugosité de chants usinés de MDF [11].Ce pro-
des éprouvettes et l’angle du fil peut être analysée sur la plusieurs sur sous- échantillons. figure 3 : les trois méthodes sont unanimes pour donner une rugosité supérieure Les deux méthodes de mesures par pal- lorsque l’angle du fil augmente, quel que page mécanique (PALPO) et par analyse soit le mode d’usinage. Ces résultats cor- d’images (VISO) sont fortement corrélées roborent ceux obtenus par Kamata et entre elles. Le coefficient de régression Kanauchi [6] sur des échantillons de chêne calculé sur les 24 chants de LVL massif. Toutefois, le toucher humain res- 2 (R (RzP/EtrV)= 0.90) est par ailleurs sent plus fortement cette variation de comparable à celui qu’avait trouvé Faust, l’angle du fil, et ce pour les deux usinages, 1987 sur 60 surfaces de 3-plis constitués que les deux méthodes objectives. de placages déroulés de pin (R 0.88). 2 = revanche, les deux méthodes objec- En La principale différence entre la tives ne donnent pas le même résultat que méthode tactile et les deux méthodes la note TACTO : sur l’échantillon total de objectives concerne le classement des deux 32 chants les corrélations TACTO f usinages, comme nous pouvons l’aperce- = (PALPO et VISO) sont peu significatives, voir sur les figures3 et 4. La différence malgré la présence du bois massif qui a de rugosité tactile entre les chants rabo- pour efffet d’améliorer les corrélations en tés et toupillés est largement inférieure à élargissant la gamme de variabilité. celle enregistrée par PALPO et VISO. Le critère EtrV semble plus proche du L’examen des surfaces (figure 5) per- classement tactile que RzP. de formuler des hypothèses pour met Le tableau II montre par ailleurs que expliquer que la méthode PALPO discri- les chants toupillés obtiennent des coef- mine mal les deux usinages : ficients de régression entre TACTO et les méthodes objectives moins significatifs au regard, le chant toupillé paraît - que les chants rabotés. lisse alors que le toucher serait sensible à La cohérence des différentes méthodes des microcrêtes provoquées par les parois le mode d’usinage et la variation de de vaisseaux ; ces arêtes seraient d’autant avec
du fil est dent vraisemblablement à des éclats pro- plus aiguës l’angle impor- que voqués à la fois par l’usure de l’outil et tant ; par le sens d’usinage à contre-fil. Ces le chant raboté offre éclats d’usinage, aux arêtes émoussées, aspect gros- un - sier, parsemé de engendreraient une surface peu rugueuse » qui correspon- trous «
et B2 identifiées éprouvettes A1, A2, B1 toucher mais moins homogène que celle au sur la figure 6 : d’un chant toupillé. Les deux types de défauts - vaisseaux Le chant B1 a tactilement la même - relief, éclats d’usinage en creux - rugosité que le chant B2 mais sa rugosité en devraient apparaître sur les profils de sur- PALPO est pratiquement trois fois plus face obtenus par palpage mécaniquePour . 1 faible. Le profil de B2 présente des val- le vérifier, la figure 7 permet de comparer lées très profondes, correspondant proba- visuellement les profils bruts Tacto des 4 blement aux éclats d’usinage, qui n’appa- raissent pas sur B1. Mis à part ces gros défauts, les amplitudes des irrégularités 1 n’a pu être effectuée sur les Cette analyse sont globalement équivalentes sur les deux de niveaux de gris obtenus par la profils profils, ce qui explique que leur classe- méthode VISO pour laquelle nous ne dispo- ment TACTO soit identique. sons pas des données de bases.
Les chants A1 et A2 ont le même Pour calculer la fréquence des défauts - classement PALPO mais diffèrent tacti- de surface il faut employer une méthode lement. Les défauts de surface sont ici de différente, permettant d’isoler les pics et tailles comparables mais A2 possède des les vallées. La convention arbitraire que irrégularités plus nombreuses que Al. nous avons adoptée (figure 9) se base sur Cette caractéristique influence bien plus les deux droites (Rs et Ri) délimitant les la sensation tactile que le critère RzP de limites supérieures et inférieures à 5 % de PALPO qui est surtout affecté par l’ampli- la variabilité du profil. On considère que tude des pics et des vallées et non par leur tous les points d’altitude supérieure à Rs fréquence (par ailleurs, cette observation appartiennent à des pics, deux pics étant explique peut être que l’écart-type EtrV séparés par au moins un point d’altitude de la méthode VISO, qui intègre à la fois inférieure à Rs/2. l’amplitude et la fréquence, soit un peu Cette méthode nous a permis de calcu- mieux corrélé que RzP avec la note tac- ler quatre critères donnant à nouveau la tile). hauteur des pics et vallées, et surtout leur fréquence : HPic : hauteur moyenne des pics ; 3.2. Proposition de nouveaux critères HVal : profondeur moyenne des val- de rugosité lées ; La conclusion des observations précé- NPic : nombre de pics par mm ; dentes semble être que, pour améliorer la NVal : nombre de vallées par mm. concordance entre la rugosité obtenue par Pour synthétiser l’amplitude et la fré- palpage et l’appréciation tactile, il serait quence des défauts nous utiliserons éga- utile d’une part de distinguer les pics des lement les deux critères suivants : vallées et d’autre part de quantifier leur NHPic = NPic * HPic ; fréquence. NHVal = NVal * HVal. La méthode la plus simple pour mettre évidence les pics et les vallées consiste en à décomposer le critère RzP en deux cri- 3.3. Relations tères représentatifs pour l’un, des pics ; entre la note de rugosité tactile pour l’autre, des vallées. Ainsi, Gouttebel et les critères proposés et Sauvignet [5] avaient adopté pour carac- tériser le toucher humain la hauteur des Afin de tester la pertinence de pics les plus élevés par rapport à la ligne ces nou- critères, régression progressive moyenne du profil de rugosité. veaux une f (DPm, DVm, HPic, NPic, TACTO = Le profil de rugosité étant, comme dans RzP) a été calculée sur la totalité de le calcul de RzP, divisé en sept parties égales l’échantillon, soit 32 surfaces. dont les deux extrêmes sont éliminées pour Le critère DPm (tableau III) explique éviter les problèmes de bords, deux critères pour une grande part la corrélation entre ont ainsi été définis (figure 8) : TACTO et PALPO (R partiel 0,39). La 2 = DPm : distance entre les pics et la ligne fréquence des pics (NPic) constitue la moyenne ; deuxième variable rentrant en compte (R 2 DVm : distance entre les vallées et la partiel = 0,15). ligne moyenne. Comme on pouvait s’y attendre avec On notera que la somme de DPm et les observations précédentes, les critères DVm est égale à RzP. liés aux vallées (DVm, HVal et NVal)
les coefficients de régressions obte- n’apportent que très peu de signification au - les nouveaux critères sont glo- modèle. On note d’autre part que parmi nus avec balement supérieurs à ceux obtenus avec les critères décrivant la hauteur des pics RzP (tableau II) ; des vallées, les critères DPm et DVm et est basé sur celui de RzP) (dont le calcul sont plus efficaces que HPic et HVal. Il existe néanmoins une très forte corréla- tion entre DPm et HPic d’une part, DVm et HVal d’autre part. Cette première analyse portait sur l’échantillon complet, incluant les éprou- vettes rabotées et toupillées ainsi que les éprouvettes de chêne massif. Des régres- sions linéaires distinctes menées sur chaque sous échantillon (tableau IV) nous permettent d’affiner ces conclusions :
le critère le plus efficace est NHPic, dont la forte rugosité tactile peut être attri- - qui permet globalement d’améliorer toutes buée aux vallées causées par les éclats les corrélations, mises à part celles concer- d’usinage, nant les chants rabotés. Pour ces dernières, le R de TACTO f (DPm) est supé- 2 = - DVm est le critère le plus intéressant bien rieur à celui de TACTO = f (DVm) pour qu’il ne permette pas d’améliorer la cor- les chants toupillés de LVL dans le sens du rélation par rapport à RzP ; fil dont la rugosité tactile dépend surtout des pics. 2 R de TACTO le f (DVm) est = - à celui de TACTO f (DPm) Si l’on reprend la relation entre TACTO supérieur = pour les chants de LVL rabotés à contre-fil de la figure 6 en remplaçant et PALPO
lié à DVm puisque DPm est à peu près RzP par NHPic (figure 10), on constate que les chants A1 et A2, auparavant ali- constant). gnés verticalement avec le critère RzP, se sont sensiblement rapprochés de la droite de régression ainsi que les nuages de IV. CONCLUSIONS points correspondants. Le rapprochement ET PERSPECTIVES entre B1 et B2 est également positif bien que la rugosité de B2 reste largement sur- Les différentes modalités de confec- évaluée par PALPO. tion et d’usinage sur chant d’éprouvettes de LVL testées dans cette étude ont permis La comparaison des moyennes TACTO d’obtenir une gamme de rugosité impor- PALPO des nuages de points corres- et tante, qui peut être appréciée aussi bien pondants à la figure 6 (A 1, A2, B1 et B2), tactilement (méthode TACTO) qu’avec présentées dans le tableau V, démontre des mesures objectives obtenues par pal- encore que la sensation tactile est très sen- page (PALPO) ou analyse d’images sible aux pics puisque la différence de (VISO). rugosité entre A1 et A2 est expliquée par Les critères de rugosité classiques cal- les critères NPic, HPic, DPm et surtout culés avec les deux méthodes objectives NHPic. D’autre part, la différence de rugo- (RzP pour PALPO et EtrV pour VISO) sité entre B1 et B2, non perceptible par donnent des résultats sensiblement iden- TACTO qui leur donne sensiblement la tiques. Ces critères sont en revanche mal même note, s’explique surtout par tous les corrélés avec la note moyenne de rugo- critères décrivant les vallées DVm, HVal sité tactile (TACTO). et NHVal ainsi que RzP (qui est ici très
des classements obtenus effectuée L’analyse permettrait probablement de à direction de coupe égale, combinaison appropriée des montre que, trouver une les trois méthodes s’accordent pour classer critères permettant d’approcher l’appré- les éprouvettes d’autant plus rugueuses ciation visuelle ou visio-tactile. Sous que l’angle du fil est important, mais que réserve de bien définir les caractéristiques les résultats divergent pour les deux types du profil requises, on pourrait envisager d’usinage pratiqués : les méthodes objec- d’étendre cette méthode à d’autres types de tives classent les chants rabotés à contre- rugosité déterminant par exemple l’apti- fil plus rugueux que les chants toupillés tude d’une surface au collage ou à la fini- dans le sens du fil, alors que la note de tion. rugosité tactile est indépendante de la L’acquisition des profils de surface par direction et du mode d’usinage. palpage mécanique reste néanmoins une L’observation des éprouvettes et des technique trop lente pour être mise en profils de rugosité montre que les surfaces oeuvre sur un nombre de pièces impor- rabotées (à contre-fil et avec un outil plus tant. Les bonnes relations obtenues entre émoussé que sur la fraiseuse) présentent les critères conventionnels calculés sur les des éclats qui conduisent à leur déclasse- profils obtenus optiquement et par pal- ment par les méthodes objectives alors page nous encouragent à transposer ces que ces dépressions sont peu perceptibles nouveaux critères à une méthode optique, au toucher. Le sens tactile semble plutôt plus apte industriellement à qualifier des influencé par l’anatomie, en l’occurrence surfaces de bois. par les vaisseaux qui offrent des arêtes aiguës d’autant plus vives que l’angle du RÉFÉRENCES fil augmente. Ces observations nous ont amené à pro- Duchanois G., Eisen P., Gross P., Triboulot [1] poser de nouveaux critères calculés sur P., Contrôle qualité et états de surface du les profils obtenus par palpage mécanique bois ; Toposurf et topovise, outils complé- mentaires de mesure de qualité de surface , 4 qui permettent de distinguer les vallées e colloque sciences et industries du bois, Nancy, (éclats) des pics de surface et de quantifier thème 1 pp. 339-344, 1996. leur fréquence. Eymard T., Caractérisation des états de sur- [2] La hauteur et la fréquence des pics, syn- face bois par l’analyse du frottement, DEA Sciences du Bois, Université de Nancy 1, thétisées par leur produit NHPic, permet- 1993. tent ainsi d’obtenir un classement des sur- Faust T., Real time measurement of veneer [3] faces beaucoup plus proche de la sensation surface roughness by image analysis, For. tactile, particulièrement sensible à l’angle Prod. J. 37 (6) (1987) 34-40. du fil. Il reste néanmoins possible de clas- Galley C., Influence de l’état de surface géo- [4] métrique du bois sur son aptitude à l’emploi ser les éprouvettes selon le type d’usinage menuiserie ameublement ; Rapport et en pratiqué (rabotage à contre-fil ou tou- bibliographique de DEA sciences du bois ; pillage dans le sens du fil) en se basant ENGRF Inra ; document équipe de recherche sur la hauteur et la fréquence des vallées. sur la qualité des bois Inra, 1996. Gouttebel O., Sauvignet E., États de surface [5] Dans la perspective d’évaluer et d’amé- du bois massif ; Rapport principal, projet de liorer la qualité du LVL de chêne destiné fin d’études Ensam, 1994. à la menuiserie, l’appréciation au toucher Kamata H., Kanauchi T., Analysis of machi- [6] par l’utilisateur est déterminante ; pour ned surfaces with digital image processing 1. Effect of grain angle in numerical control d’autres applications, comme l’ébénisterie, router machining, Mokusai Gakkaishi 39 (11) la sensation visuelle aurait beaucoup plus (1993) 1253-1258. d’importance. La quantification distincte Korlak M., Vergleich von berürhend und [7] des pics et des vallées que nous avons berühungslos messenden Verfahren zur Cha-
méthodes pneu- massif pour leur rugosité : der Oberflächengeometrien rakterisierung sensorielle, Ann Sci For 42 (4) Holzwerkstoffen, Fachhochschule Rosen- matique et von ( 1985) 435-452. heim, Diplomarbeit, 1994. Marchal R., Valorisation par tranchage et [8] Triboulot P., Sales C., Zerizer A., Martin P., [11] déroulage des bois de Chênes méditerranéens, Correlation of Fracture Toughness of Bon- thèse d’INPL en sciences du bois, 294 p, ded Joints with Quality (Roughness) of Knife- 1983. Planed MDF Surfaces ; Holzforschung 49 (5) Marchal R., Mothe F., Negri M., Rochot A., [9] (1995) 465-470. Perré P., Production of quality wood from broadleaves ; Rapport final du contrat EC Afnor, Norme expérimentale E 05-015, États [12] AIR 1 CT 92-0608 pour la tâche 5 ’Indus- 1: produits ; Prescriptions de surface des trial Development’, février 1996, 93 p, 2ann. Généralités, terminologie, définitions ; asso- ciation française de normalisation, sept 1984, Mothe F., Essai et comparaison de trois [10] méthodes de classement de surface de bois 22 p.