Maîtriser les caractéristiques du bois pour l'usinage CNC de précision

Les machinistes confondent souvent le bois pour être un « matériau facile à usiner » lors de l'usinage CNC du bois en raison de la douceur du matériau par rapport au métal. En un sens, c'est vrai, car vous pouvez programmer les paramètres de coupe du bois en usinage CNC avec des avances beaucoup plus élevées comparées à celles de la plupart des métaux. D'un autre côté, cependant, le bois a de nombreuses propriétés uniques qui doivent être prises en compte pour optimiser le processus de coupe pour une efficacité maximale.

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Types de bois pour l'usinage CNC

Il y a 3 catégories principales de bois pour le travail du bois : bois dur, bois tendre et bois d'ingénierie.

Bois dur

La définition manuelle d'un arbre à bois dur est une angiosperme, plus communément appelée arbre à feuilles larges. Quelques exemples seraient le chêne, le bouleau et l'érable. Ces types d'arbres sont souvent utilisés pour fabriquer des meubles de haute qualité, des terrasses, des revêtements de sol et des composants de construction.

Bois tendre

Un bois tendre est un arbre conifère, parfois connu comme un gymnosperme. Ceux-ci sont généralement moins denses que les bois durs et sont donc associés à être plus faciles à usiner. Ne laissez pas le nom vous tromper : certains bois tendres sont plus durs que certains bois durs. Les tableaux de vitesses et avances de Harvey Tool pour son offre de fraises spécifiques aux matériaux pour le bois sont catégorisés par dureté Janka pour cette raison exacte. La dureté Janka est une échelle de dureté modifiée avec un test spécifiquement conçu pour classifier les types de bois.

Le bois tendre est utilisé pour fabriquer des meubles, mais peut aussi être utilisé pour les portes, les vitres de fenêtres et les produits en papier. Quelques exemples sont le pin et le cèdre. Le tableau 1 liste 20 bois courants avec leur dureté Janka.

Nom commun :	Dureté Janka impériale :
Balsa	90
Bois de vache, jaune	350
Saule, noir	360
Pin, sucre	380
Peuplier, oriental	430
Châtaignier, américain	540
Pin, rouge	560
Douglas, intérieur nord	600
Bouleau, gris	760
Frêne, noir	850
Cèdre, rouge de l'Est	900
Cerisier, noir américain	950
Noyer, noir	1010
Hêtre, américain	1300
Chêne, blanc	1360
Érable, sucre	1450
Pommier	1730
Cerisier, brésilien	2350
Olive	2700
Palissandre, indien	3170

Bois d'ingénierie

Le bois d'ingénierie, ou bois composite, est tout type de fibre de bois, particule ou brin de matériau maintenu ensemble avec un adhésif ou un agent liant. Bien que certains de ces matériaux soient plus faciles à usiner que les bois massifs, l'adhésif maintenant le matériau ensemble peut être extrêmement abrasif. Cela peut causer une usure prématurée de l'outil et créer des difficultés lors de l'usinage CNC du bois. Il est important de noter que certains types de bois d'ingénierie sont plus difficiles à usiner que d'autres, spécifiquement ceux avec une plus grande quantité de matériau liant. Ces types devraient être programmés avec des vitesses et avances moins agressives. Par exemple, le panneau de fibres à densité moyenne (MDF) est plus difficile à usiner que le contreplaqué, mais beaucoup plus facile à usiner que le phénolique.

Propriétés du bois

Taille du grain

Techniquement, le bois peut être considéré comme un matériau composite naturel car il consiste en fibres de cellulose fortes et flexibles maintenues ensemble par une matrice plus rigide de type colle composée de lignine et d'hémicellulose. Si vous pensez en termes de construction, les fibres de cellulose seraient l'armature en acier, et le béton serait la lignine et l'hémicellulose. Le bois avec de grosses fibres de cellulose est considéré comme à grain grossier (chêne et frêne). Les bois qui ont des fibres plus petites et moins nombreuses sont considérés comme à grain fin (pin et érable). Les bois tendres ont tendance à être à grain fin et sont donc stéréotypés comme étant plus faciles à usiner car ils n'ont pas autant de fibres fortes à cisailer. Il est important de noter que tous les arbres à bois dur ne sont pas à grain grossier et tous les arbres à bois tendre ne sont pas à grain fin.

Teneur en humidité (MC)

La teneur en humidité (MC) est l'une des variables les plus importantes à considérer lors de l'usinage du bois. Un problème extrêmement courant avec la construction de quoi que ce soit en bois est sa tendance à se déformer. La variabilité de l'humidité dans l'air affecte inévitablement la teneur en humidité dans le bois. Tout changement de teneur en humidité (qu'il s'agisse d'une augmentation ou d'une diminution) perturbera la forme de la pièce. C'est pourquoi il faut prendre en compte quel type d'humidité un produit sera exposé à dans son lieu de repos final.

Teneur en humidité d'équilibre (EMC)

La teneur en humidité d'équilibre (EMC) se produit lorsque le bois a atteint un point d'équilibre dans sa teneur en humidité. Les valeurs EMC intérieures aux États-Unis sont en moyenne d'environ 8 %, avec des valeurs extérieures moyennes autour de 12 %. Ces valeurs varient à travers le pays en raison des différences de température et d'humidité. Par exemple, le sud-est des États-Unis a une EMC intérieure moyenne de 11 % tandis que le sud-ouest fait une moyenne d'environ 6 % (en excluant la région côtière). Il est important de considérer quelle région et application le produit final va rencontrer pour que le bois avec la teneur en humidité correcte puisse être sélectionné avant l'usinage. La plupart des espèces de bois à grain plat changeront de taille de 1 % pour chaque changement de 4 % en MC. La direction du gauchissement dépend de l'orientation du grain.

Généralement, les exigences de puissance pour une opération augmentent avec l'augmentation de la teneur en humidité, principalement en raison de l'augmentation de la densité. La densité du bois augmente avec l'augmentation de la MC. La puissance additionnelle peut être nécessaire pour pousser un copeau plus lourd hors de la zone de coupe lors de l'usinage CNC du bois. Il vaut la peine de noter que, comme les polymères synthétiques, le bois est un matériau viscoélastique qui absorbe l'énergie à mesure qu'il devient plus humide. La limite proportionnelle de ses propriétés mécaniques s'intensifie à mesure que la MC augmente.

Lors de l'usinage de certains types de bois, la température de la zone de coupe augmentera avec l'augmentation de la MC, mais dans d'autres espèces elle diminuera. Soyez prudent et évitez l'usure rapide de l'outil en diminuant le SFM lors de l'usinage d'un bois avec une teneur en humidité supérieure à 10 %. Les tableaux de vitesses et avances Harvey Tool suggèrent une diminution de 30 par point de pourcentage de MC. Comme toujours, cependant, cela dépend du type de bois usiné et du type d'opération effectuée.

Le changement de température n'est pas la seule raison pour laquelle une teneur en humidité plus élevée est associée à une usure rapide de l'outil. L'humidité dans le bois n'est pas seulement associée à l'eau, mais aussi aux résines, sucres, huiles, amidons, alcaloïdes et tanins présents dans l'eau. Ces substances réagissent particulièrement bien avec l'acier rapide, et dans une moindre mesure avec le carbure.

Nœuds et leur effet sur l'usinage CNC du bois

Un nœud est une partie d'une branche ou d'un membre qui s'est incorporée dans le tronc d'un arbre. L'influence des nœuds sur les propriétés mécaniques du bois est due à l'interruption de la continuité et au changement de direction des fibres de bois associées. Ces propriétés sont plus faibles dans cette partie du bois car les fibres autour du nœud sont déformées et mènent à des concentrations de contraintes. La « vérification » (fissuration due au retrait) se produit souvent autour des nœuds pendant le séchage. La dureté et la résistance perpendiculaire au grain sont des exceptions aux propriétés mécaniques généralement plus faibles. En raison de ces deux dernières exceptions, les paramètres d'usinage du bois devraient être réduits lors de la rencontre d'une partie noueuse de la pièce pour éviter le chargement par choc.