Introduction à la spécification et la vérification des états de surface

la maîtrise des états de surface est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de la plupart des composants mécaniques spécifié uniquement les dimensions des différents éléments d'une pièce mécanique ne suffit pas à assurer sa fonction ni ses performances il faut également tenir compte de l'état de surface par exemple la surface d'une calmes sur un arbre à cames glissé pouces là que d'une soupape à haute vitesse pour assurer l'admission du carburant et l'évacuation des gaz de façon synchronisée avec l'allumage la fiabilité sur le long terme de cette pièce des paons de sa rugosité qui génère des frottements et peut entraîner à terme une usure prématurée elle dépend également de la présence ou pas d'ondulations qui peut engendrer des vibrations et des échauffements la surface interne d'un cylindre se doit de présenter des rainures croisées afin de permettre une lubrification suffisante au passage du piston cela permet d'éviter le serrage du moteur mais ces rainures ne doivent pas être trop profondes au risque d'entraîner des pertes de compression ou une consommation excessive en carburant et en huile le joint de culasse assure l'étanchéité tant par sa forme et la composition chimique de son matériau que par son état de surface mais l'état de surface des faces opposées auquel il est en contact sur la culasse et le bloc moteur est également primordial les injecteurs sont des pièces cruciales pour assurer la performance du moteur est sa capacité à respecter les normes antipollution moderne la plupart des face interne autour de la buse d'injection sont spécifiés précisément en état de surface de même les pignons d'une boîte de vitesses sont spécifiés en rugosité et ondulations afin d'assurer leur performance dans le plus grand silence possible bien d'autres composants d'un véhicule sont tolérants c'est en état de surface afin d'assurer son fonctionnement dans les meilleures conditions de nombreux objets de la vie courante sont également contrôlés pour des raisons fonctionnelles ou d'aspect la coque métallique d'un smartphone doit avoir un toucher velouté qui assure une bonne préhension ne doit pas laisser de traces de doigts ni se salir mais doit aussi offrir un aspect luxueux son état de surface fait l'objet de nombreuses spécifications assez complexe de même le verre assure la protection de l'écran mais il constitue aussi une surface tactile qui doit répondre précisément aux doigts de l'utilisateur le grainage du plastique du boîtier d'un pc portable ou celui des touches de son clavier assure le confort au toucher et l'efficacité en fonctionnement les connecteurs doivent assurer un bon contact électrique et un serrage suffisant à l'insertion et au retrait sans parler des composants microélectroniques dont les dimensions géométriques sont du même ordre voire inférieurs à l'échelle habituel de la rugosité face d'une poêle antiadhésive empêche les aliments d'adhérer à la surface mais le revêtement doit pourtant adhéré à la surface d'aluminium de la poêle ce miracle est assuré en partie par la formule chimique du revêtement mais également par la rugosité du support de même les rubans adhésifs doivent adhérer fortement ou bien pouvoir se décoller et se recoller à l'infini selon les cas la fonction d'adhésion dépend fortement de la surface du support et de sa micro géométrie certains carrelage doivent prévenir les glissements même humides comme dans les lieux de passage du public les cuisines où les salles de bains mais leur surface doit néanmoins pouvoir se nettoyer sans problème pour des raisons d'hygiène et d'esthétique encore un problème de surface à l'échelle microscopique dans le médical les surfaces interviennent dans les échanges chimiques et biologiques elles influent sur l'hygiène elle évite les contaminations et l'usure des prothèses et cetera l'efficacité des panneaux solaires dépend de la structuration microscopique de la surface afin de maximiser la surface développée du matériau éclairée par le soleil à l'aide de micro pyramide on pourrait multiplier les exemples à l'infini tous ces produits et objets manufacturés que nous utilisons chaque jour sont contrôlés par les industriels lors de leur conception et leur fabrication afin d'assurer qu'ils fournissent la fonction souhaitée avec le maximum d'efficacité sion d'une surface correspond à l'intention du concepteur une pièce doit par exemple assurer la lubrification ou permettre un serrage efficace le concepteur de la pièce spécifie les dimensions mais également l'état de surface afin d'assurer que la fonction sera réalisée correctement lors de la fabrication de nombreuses pièces sont aujourd'hui fabriquées en sous traitance souvent dans des pays lointains la spécification permet de consigner les exigences à respecter c'est ce qu'on appelle la cotation fonctionnelle elle est définie dans les normes gps de spécifications géométriques des produits ces spécifications sont indiquées sur les plans elles doivent être ensuite vérifié pour évaluer la conformité de la pièce la norme iso 13 02 décrit un langage visuel de spécifications des états de surface le concepteur doit indiquer sur les plan mécanique la spécification des tas de surface à l'aide du symbole racines il indique le paramètre et sa valeur limite ainsi que le cas échéant des conditions de calcul les indications des tas de surface font partie du tolérancement d'une pièce au même titre que les indications de taille ou de position le métrologues chargée de la vérification d'une pièce en bord de ligne de production va prélever certaines pièces pour les mesurer il se basera sur les spécifications du plan et utilisera un profil au maître ou tout autre moyen de mesures adaptées pour mesurer des profils ou parfois des surfaces il calculera les paramètres des tas de surface spécifié pour enfin comparer leur valeur aux limites tolérées quand on souhaite vérifier l'état de surface d'une pièce on effectue une mesure à un endroit indiqué sur le plan en général une portion limitée jugées représentatives de la surface à vérifier par exemple on mesure un profil sur une portion d'un arbre de transmission ce qu'on mesure matérialisée par le profil est en réalité constitué de plusieurs composantes qui sont traitées différemment en analyse des états de surface la forme nominal est la forme géométrique de la pièce c'est en général une droite incliné dans le cas d'une pièce plane ou un arc de cercle dans le cas d'une pièce de révolution cette forme est superposée à l'état de surface la forme est supprimée par calcul puisque on ne s'intéresse ici qu'à l'état de surface pas la dimension géométriques l'écart de forme est dû à des imprécisions de réalisation de la forme nominal lors de l'usinage une pièce censé être cylindrique est en fait légèrement ovale à cause par exemple du décentrage de lax de l'outil cet écart de forme est également éliminé par filtrage l'ondulation et la rugosité sont les composantes principales de l'état de surface et ce sont ses composantes qui seront tolérants c'est dans les spécifications des tas de surface les deux composantes principales de l'état de surface sont la rugosité et l'ondulation l'ondulation est composé d'éléments à plus grandes longueurs d'onde que la rugosité ont laissé par à l'aide d'un filtrage dont on peut régler le cutoff lambda c'est selon les applications la rugosité et la plus importante pour quasiment toutes les fonctions chaque procédés d'usinage laisse une signature sur la surface qui se traduit par une rugosité et des orientations des stries particulière l'ondulation est importante en particulier lorsque des surfaces sont en contact l'une avec l'autre pour des fonctions de serrage d'étanchéité ou de glissements la micro rugosité et constitué des plus petites longueurs d'onde elle provient le plus souvent du bruit de mesures de l'instrument ou du bruit environnemental dans la plupart des applications cette micro rugosité et supprimée par un filtrage passe-bas les écarts de formes constitue l'autre extrémité de lax des longueurs d'onde l'analyse des écarts de forme est un aspect particulier du tolérancement géométrique mais ne fait pas partie en tant que tel de l'analyse de l'état de surface cette partie est donc également éliminé par filtrage voit ici comment les éléments les plus fins de la texture se retrouve dans la rugosité et les plus longs dans l'ondulation cette séparation concerne les longueurs d'onde latéral dans le plan horizontal pas l'amplitude de la texture la somme de l'ondulation et de la rugosité forme la surface primaire où le profil primaire il est possible de tolérance et l'une ou l'autre de ses composantes à l'aide de paramètres de rugosité d'ondulations ou primaire par exemple un paramètre hair cuts sera calculée sur le profil de rugosité un paramètre wt sera calculée sur le profil d'ondulations quelques normes internationales sont à connaître ces normes iso ont été adoptés en normes européennes le npa transcrite en normes françaises nf on peut se les procurer auprès de l'afnor ou en librairie pour certains fascicule regroupant des normes de même catégorie la norme iso 13 02 décrit l'écriture et l'interprétation des spécifications des tas de surface sur un plan la norme iso 42,87 décrit les principaux paramètres d'état de surface d'autres paramètres spécifiques à certaines applications dans l'automobile sont décrits dans la norme iso 12 0 85 et dans les parties 2 et 3 de l'iso 13,565 le filtrage gaussien qui est le filtre par défaut en profilométrie était décrit auparavant dans la norme iso 11 562 mais celle ci a été remplacée récemment par la partie 21 de la norme iso 16 610 les normes iso 32 74 et 12 179 traite des profils omettre à contacter mais sont en passe d'être remplacé par les parties 601 et 701 de l'iso 25 178 cette dernière norme décrit les états de surface surfacique appelé parfois 3d avec les paramètres surfacique tels que le rsa ou le sdr elle décrit également les caractéristiques métrologique de plusieurs techniques instrumentales sans contact tels que le microscope confocal ou l'interféromètre en lumière blanche en 2021 une nouvelle norme de profilométrie l'iso 21 920 viendra remplacer et moderniser plusieurs normes utilisées depuis plus de 20 ans une pièce mécanique est d'abord imaginé par un concepteur sur son logiciel de cae sur le plan réalisé il positionne des tolérances dimensionnelles et des tolérances d'état de surface on appelle profil nominal le profil théorique construit mentalement par le concepteur à l'aide d'une opération de partitions sur la pièce géométriques la partition consiste ici à prendre un plan d'intersection verticale à travers le volume de la pièce et à isoler le sommet de la pièce résultant en un profil rectiligne ce profil est ensuite tolérance est ici à l'aide du paramètre hercules et de la limite supérieure de 0,7 micron le profil nominal est un profil théorique imaginer sur un plan il s'agit en général d'une droite ou d'un arc de cercle la réalité sur la pièce est inconnu de l'utilisateur car on ne peut que produire une abstraction de la réalité y compris à l'aide d'une mesure avec un appareil aussi précis soit il le profil réel est donc lui aussi imaginaire l'utilisateur ne connais donc que ce qui sort de l'instrument de mesure de nos jours c'est donc une représentation numérique échantillonnés selon eex par des points successifs espacées d'un pas constant delta x exprimé en micro m les altitudes sont numérisés en z à l'aide de nombreux sentiers espacées de la valeur d'un digit exprimé en nanomètres dans le cas d'une mesure surfacique on obtient une image d'altitude où le z est fonction de x et y il est coutume de représenter la mesure à l'aide d'une anamorphose qui amplifie l'axé z beaucoup plus fortement que l'axé x afin de mieux voir les variations de hauteur dans la réalité la surface est globalement plate et représenter le profil à l'échelle 1 ne montreraient qu'une ligne droite son détail les vallées et les pics visible sur un profil sont donc énormément exagérée par rapport à la réalité cas d'une surface on amplifie également arbitrairement l' axe vertical mais on code également les altitudes à l'aide d'une palette de couleurs qui permet d'apprécier les variations locales de hauteur là aussi les variations du relief sont fortement amplifiées et une surface représenté à l'échelle 1 apparaîtrait complètement plate et lisse pour finir une question que se posent de plus en plus les utilisateurs faut-il mesurer la surface en 2d ou en 3d c'est à dire faut-il calculer les paramètres sur un profil mesurait le long d'une droite ou bien sur une surface mesurés sur une portion rectangulaire si la métrologie des états de surface est resté longtemps exclusivement profilométrie c'est en partie à cause de limitations technologiques des instruments de mesure mais également parce que les surfaces industrielles pouvait être analysés en 2d de façon fiable mais depuis une petite vingtaine d'années c'est de moins en moins vrai et on peut dire que l'on assiste à un changement de paradigme en trois volets premièrement les instruments de mesure sont passés du profilométrie co surfacique la nature étant tridimensionnel certaines fonctions peuvent être analysés de façon plus fiable à l'aide de paramètres surfacique on dit que l'on obtient de meilleurs corrélation fonctionnel deuxièmement la technologie est passé du contact à l'optique cela permet de mesurer plus vite et de mesurer la surface de matériaux plus fragiles sans les endommager enfin les surfaces industrielles sont désormais souvent structurés ou travailler afin d'y programmer une texture particulière qui réalise la fonction souhaitée par exemple les surfaces hydrophobique sont souvent équipés à l'échelle microscopique de structures géométriques tels que des piliers ou des pyramides afin d'empêcher les gouttes d'eau d'adhérer ces trois raisons font que la métrologie des surfaces a profondément changé ces dernières années et que de nouveaux outils et de nouveaux instruments sont apparus merci d'avoir suivi cette vidéo n'hésitez pas à commenter ci dessous et indiquez vos besoins pour de futurs vidéo cliquez sur j'aime ci dessous et abonnez-vous à la chaîne afin d'être notifiés lorsque de nouvelles vidéos seront mises en ligne enfin visiter le site www.digitick.com pour découvrir le logiciel mountains merci à vous