Étude du polissage automatique des granits

Le Québec produit près de 90% de granit au Canada et compte près de deux cents entreprises spécialisées dans ce secteur. Cette production a doublé entre l’année 1991 et l’année 2000 dû à la forte demande du granit dans les ménages et les bâtiments tels qu’illustrés à la figure cidessous. L’émission des poussières issues des opérations de polissage contient des particules fines (micrométriques) et ultrafines (nanométriques) ayant la capacité de s’accumuler en profondeur dans le système respiratoire et ainsi causé de graves maladies, dont la silicose (McDONALD et al, 2005; Vacek et al, 2011)

En effet le quartz contenu dans le granit donne lieu à la silice lors du polissage. Les particules de silice restant proche de la zone de travail exposent en continu les travailleurs. Le risque d’infection pulmonaires survient lorsque les travailleurs sont éxposés à des concentrations de poussières de quartz variant entre 0,1 et 0,2 mg/m³ (Rushton, 2007). Les particules de poussières de quartz ultrafines augmentent la gravité des troubles pulmonaires (I. Ahmad, 2011). La taille des particules de silice a un impact sur les réponses immunitaires, les particules de silice ultrafines induisant des réponses inflammatoires plus élevées que les particules fines de silice (Kusaka et al., 2014).

Des données statistiques de la CSST dénombrent 157 cas de cette maladie au Québec entre 2004 et 2008(Goyer, Bahloul, & Veillette, 2010). La silice cristalline occupe le deuxième rang de cette décennie dans le classement dramatique des décès dus à des poussières toxiques, tout de suite après l’amiante (Sabourin, 2012). La silicose fait partie des maladies pulmonaires professionnelles que reconnaît la CSST, après l’asthme professionnel et l’amiantose (Sabourin, 2012). Pour prévenir ce danger, la CSST est passée à la « tolérance zéro » pour la quantité de poussière de silice permise dans le milieu de travail, depuis juillet 2012. La réglementation au Canada prévoit ainsi une valeur limite d’exposition (VEMP ) de 0,1 mg/m³ (ROHS, 2020). Les Américains ont réduit cette limite à 0.05 mg/m³ depuis 2016 (OSHA Johnson Silica, 2019). Par conséquent, la recherche de moyens de réduction ou d’élimination des risques d’exposition aux poussières issues de l’usinage du granit constitue une urgence et un grand challenge auquel les industriels font face. Les recherches visant à établir les moyens de reductions de l’exposition par les solutions de ventilations locales par aspiration montrent que celles-ci ne peuvent pas reduire sufisament les concentrations de poussières de granit (Johnson et al. (2017), Akbar Khanzadeh et al.(2007), Croteau et al. (2002)).Une première étude ( Saidi, 2018b) a été faite en utilisant une seule trajectoire (rectiligne), pourtant plusieurs autres trajectoires de polissage existent et elles peuvent avoir des effets sur la performance du procédé ( qualité des pièces, emissions de particules et efforts de coupe).

L’augmentation de l’exploitation du granit dû aux nombreux domaines d’applications a rapidement fait développer diverses techniques de transformation et de traitement de surface liés à ce matériau. Les poussières issues du procédé de polissage de granit sont une problématique pour des chercheurs du domaine, car ces poussières sont nocives pour la santé des travailleurs comme l’illustre les travaux de Simcox et al (1999) et Verma et al (2011). L’étude des moyens et techniques de réduction des émissions de poussières lors du polissage du granit permet de sauvegarder la santé des travailleurs du domaine.

Méthodes de polissage du granit 

Les industriels ont eu recours au polissage pour pallier l’exigence de la qualité de l’état de surface et de brillance de la pièce obtenue à partir de l’usinage du granit. Le polissage des granits se fait généralement par abrasion. Le polissage permet ainsi d’enlever de la matière de faible épaisseur (25,4 µm) ce qui contribue grandement au fini de surface obtenu par le procédé (Preston, 1929). Les méthodes de polissage de granit les plus rencontrées sont le polissage manuel et le polissage mécanique.

Polissage manuel 

Les opérations de polissage manuel sont essentiellement des opérations de ponçage manuel successif (Yves Gendreau & Alain Morais, 2012). Le polissage manuel se prête mieux au polissage des pièces de formes géométriques complexes et aussi pour les matériaux fragiles. Il donne une très bonne qualité de surface, mais il est onéreux et nécessite une main-d’œuvre hautement spécialisée. Le processus de polissage manuel est le suivant (GPP, 2015):

➤ La préparation de la pièce (opération de dégrossissage) par meulage, ébavurage;
➤ Le feutrage qui affine la surface de la pièce en conservant sa géométrie ;
➤ Le tamponnage manuel qui permet enfin d’obtenir le brillant recherché.

Polissage mécanique 

Le polissage mécanique est une méthode de polissage faite par des machines-outils; il permet donc d’avoir une plus grande production comparativement au polissage manuel. Le polissage mécanique se fait par micro-coupe à l’aide d’abrasifs afin d’obtenir une surface brillante et réfléchissante. Les pièces délicates, de formes  complexes et nécessitant une finition soignée obtenue par le polissage mécanique doivent être contrôlées individuellement et retouchées le cas échéant par un polissage manuel. Le polissage mécanique est la méthode de polissage la plus répandue.

Le polissage mécanique suit un processus standard qui est une succession ordonnée des opérations (Saïdi, 2018) suivantes :

• 1ére et 2éme étapes (élimination de la plus grande quantité de matière) : abrasifs Grit 50 puis 100 ;
• 3e étape (élimination des grosses rayures) : abrasif Grit 200 ;
• 4e étape (élimination des petites rayures) : Abrasif Grit 400 ;
• 5e étape (brillance de la pièce plus traitement de densification) : Abrasif Grit 800 ;
• 6e et 7e étape (surface réfléchissante) : Abrasif Grit 1500 puis Grit 3000.

Le choix de la méthode de polissage doit ainsi tenir en compte la quantité de pièces à produire (la série de production), les exigences et tolérances géométriques (qualité de l’état de surface) ainsi que le coût de production.

Outil abrasif 

Les outils de meulage ont des caractéristiques spéciales du point de vue rigidité, vibrations et déformations thermiques contrairement aux autres outils de coupes. Les procédés d’abrasion sont classés suivant le type d’outil abrasif et le type de liaison abrasif dans la constitution de la roue de meulage (sable plus colle)(El-Hofy, 2013). Les procédés d’abrasion donnent une surface lisse et d’étroites tolérances. L’outil de coupe composé de grains abrasifs maintenus ensemble par un liant peut avoir la forme d’une roue ou d’une baguette ou d’autre forme dépendant de la géométrie qu’on veut donner à notre pièce. Les matériaux abrasifs sont durs avec une dureté élevée pour supporter les pressions de contact et doivent être tranchants pour pouvoir couper facilement et plusieurs fois les bords de la pièce. Les grains doivent pouvoir se fragmenter rapidement pour offrir de nouvelles arêtes de coupe saillantes pour ne pas endommager la surface de la pièce à polir (Goossens, 2015). Le détachement des grains abrasifs émoussés peut se faire suivant le processus d’abrasion à deux corps (dans lequel les grains abrasifs sont solidaires d’un support rigide ou non qui assure leur cheminement ainsi que l’effort presseur) et le processus d’abrasion à trois corps où les grains abrasifs sont libres et pressés contre la pièce à polir par une contre-pièce  . Le mode d’abrasion deux corps est celui qui est le plus employé par les industries. L’efficacité des abrasifs dépend de la dureté, de la taille et la forme des particules d’une part, mais aussi des paramètres de coupe, de la méthode de polissage et du liant (Migan, 2015).