Comité de normalisation des moyens de production
FASCICULE DE FORMATION ETATS DE SURFACE
GE40-082N Novembre 2003 ICS : 03.100.30 ; 17.020 ; 17.040.20 Reproduction interdite
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Avant-propos La définition des paramètres des états de surface utilisés dans les groupes PSA Peugeot Citroën et Renault reposait essentiellement sur les normes spécifiques CNOMO. La normalisation internationale ISO a maintenant intégré la majorité de ces paramètres. Compte tenu de tous ces éléments, ainsi que de la complexité des structures des normes ISO et de leur volume, il devient nécessaire pour assurer la formation des utilisateurs de formaliser sur un même support toutes les informations nécessaires à la mise en œuvre des notions relatives aux états de surface. _______________________________________
Objet et domaine d’application Le présent fascicule a pour but de fournir des indications théoriques et pratiques sur les paramètres d'états de surface utilisés dans les groupes PSA Peugeot Citroën et Renault. Il fait notamment le point sur les dernières évolutions de la normalisation internationale et de ses conséquences sur les indications à porter sur les plans des pièces. Il sert de support pour des formations "Etats de surface conformes aux normes ISO". _______________________________________
Descripteurs Contrôle dimensionnel, état de surface, formation, mesure, dimensional check, surface finish, training, measurement. _______________________________________
Modifications Par rapport à l'édition précédente : • • • •
Modification du plan. Prise en compte de l'édition 02/2002 de la norme ISO 1302 dans divers paragraphes. Remplacement de la norme ISO 5436 par les normes ISO 5436-1 et 5436-2. Suppression des annexes A (vue des profilomètres et B (Exercices) et intégration de l'annexe C (Documents pédagogiques dans le corps du document. • Intégration du contenu du GE40-084N du 11/2000.
VALIDATION PSA Peugeot Citroën
RENAULT
M. Harvier
G. Chaumond
Remplace Ge40-082N du 04-2000 et GE40-084N du 11-2000
ÉTABLI PAR COMMISSION 40A
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Sommaire Page 1. 1.1 1.2 1.3 2. 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 5. 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 6. 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2 7. 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.4.1 7.4.2 8. 9. 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.3
Introduction ............................................................................................................................................... 4 Pourquoi mesurer des états de surface ?.................................................................................................... 4 Définition d'un état de surface ..................................................................................................................... 4 Historique ................................................................................................................................................... 5 Fonctionnalités des surfaces ................................................................................................................... 6 Spécifications ............................................................................................................................................ 7 Typologie des surfaces ............................................................................................................................... 7 Vocabulaire ................................................................................................................................................. 7 Typologie ................................................................................................................................................... 8 Historique de la spécification...................................................................................................................... 12 Symbolique................................................................................................................................................. 14 Définition géométrique des paramètres...................................................................................................... 14 Symbole graphique .................................................................................................................................... 15 Indications ajoutées au symbole graphique................................................................................................ 15 Exemples d'indication au plan .................................................................................................................... 18 De la mesure aux paramètres.................................................................................................................. 19 Vocabulaire spécifique aux profils .............................................................................................................. 19 Définitions des profils ................................................................................................................................. 21 Représentation de l'acquisition et des traitements d'un état de surface ..................................................... 22 Paramètre du profil primaire ....................................................................................................................... 23 Le système E.............................................................................................................................................. 24 Introduction ................................................................................................................................................ 24 Méthode des motifs (ISO 12085)................................................................................................................ 24 Fonctionnalités des surfaces ...................................................................................................................... 29 Exemples de cas concrets.......................................................................................................................... 30 Correspondances entre les anciens critères CNOMO et les paramètres ISO ............................................ 35 Le système M ............................................................................................................................................. 36 Introduction ................................................................................................................................................ 36 Principe .................................................................................................................................................. 36 Les différentes étapes ................................................................................................................................ 37 Calcul des paramètres (ISO 4288) ............................................................................................................. 37 Courbes et paramètres associés................................................................................................................ 38 Généralités et intérêts ................................................................................................................................ 38 Taux de longueur portante ......................................................................................................................... 38 Différence de hauteur de coupe du profil.................................................................................................... 38 Passage des anciennes normes CNOMO aux normes ISO pour le taux de longueur portante.................. 38 Surface ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux .............................................. 38 Mesurage .................................................................................................................................................. 38 Précautions ................................................................................................................................................ 38 Règles générales ....................................................................................................................................... 38 Choix de la zone et de la direction ............................................................................................................. 38 Cas particulier : Principe de l'empreinte ..................................................................................................... 38 Paramétrage de mesure............................................................................................................................. 38 Système E .................................................................................................................................................. 38 Système M ................................................................................................................................................. 38 Règles pour comparer les valeurs mesurées aux limites de tolérances ..................................................... 38 Moyens - Caractéristiques....................................................................................................................... 38 Les différents moyens ................................................................................................................................ 38 Evaluation visuelle et tactile ....................................................................................................................... 38 Profilomètres à contact............................................................................................................................... 38 Profilomètres sans contact ......................................................................................................................... 38 Caractéristiques des profilomètres à contact.............................................................................................. 38 Installation - Vérification du moyen de mesure ..................................................................................... 38 Formation spécifique .................................................................................................................................. 38 Installation .................................................................................................................................................. 38 Vérification ................................................................................................................................................. 38 Vérification géométrique............................................................................................................................. 38 Vérification de la cohérence des résultats de mesure ................................................................................ 38 Raccordement - Ajustage du moyen de mesure ........................................................................................ 38 Raccordement ............................................................................................................................................ 38 Vérification, ajustage .................................................................................................................................. 38 Causes d'incertitude ................................................................................................................................ 38 Mesurage tridimensionnel....................................................................................................................... 38 Utilité .................................................................................................................................................. 38 Technologie................................................................................................................................................ 38 Mesurage par contact................................................................................................................................. 38 Mesurage sans contact .............................................................................................................................. 38 Exemple de résultats de mesurage 3D....................................................................................................... 38 Avantages / inconvénients.......................................................................................................................... 38
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10. Normalisation ........................................................................................................................................... 38 10.1 Matrice GPS............................................................................................................................................... 38 10.2 Normes états de surface et normes générales........................................................................................... 38 11. Répertoire alphabétique .......................................................................................................................... 38 12. Liste des documents de référence ......................................................................................................... 38 Annexe A : Exemple de rapport de mesure........................................................................................................................ 38
1.
Introduction L’aptitude d’une pièce à remplir une fonction donnée dépend d’un ensemble de facteurs et notamment des caractéristiques fonctionnelles de son état de surface ; celles-ci doivent être suffisantes pour assurer un comportement fonctionnel correct et rester d’un prix de revient compétitif.
Figure 1 : Image tridimensionnelle d’une surface tournée
1.1
Pourquoi mesurer des états de surface ? Au début du 20eme siècle, la fabrication en grande série de pièces mécaniques impose une qualité géométrique constante. Les exigences concernant la diminution du frottement et de l’usure amènent à la normalisation de la qualité des surfaces techniques (1931 - symbolisation par triangles). Celle-ci purement représentative et nullement numérique donne une interprétation exclusivement subjective : dans un même pays, l’écart peut atteindre 1000 %. D’où la nécessité de créer des appareils de détermination numérique des qualités de surface.
1.2
Définition d'un état de surface L’état de surface représente les écarts répétitifs ou aléatoires par rapport à la surface géométrique formant la topographie tridimensionnelle d’une surface (ISO 8785).
L'état de surface comprend : • • • •
les écarts de forme, l’ondulation, la rugosité, la direction des irrégularités, • les imperfections, sur une zone limitée.
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1.3
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Historique Chronologie 1931
: Norme des triangles.
36 ! 45 : Développement des premiers appareils : optique, à air et à contact. Apparition des premiers paramètres d’état de surface liés à la ligne moyenne (Ra). 60
: Norme DIN de la ligne moyenne.
64 ! 70 : Travaux de l’automobile française (Citroën, Peugeot et Renault) au sein du CNOMO et d’écoles d’ingénieurs (ENSAM-ISES,...). Caractérisation des surfaces par des paramètres fonctionnels (R et W). 80
: Développement d’un appareil de mesure tridimensionnel.
83 ! 93 : Adoption des normes CNOMO d’état de surface par la Normalisation Française et par les fournisseurs. 1996
: Reconnaissance des travaux de la Normalisation Française par l’ISO : Adoption du R et W.
2000
: Prise en compte des normes ISO "Etats de surface" et remplacement des normes et guides spécifiques CNOMO par les normes ISO associées à un fascicule CNOMO de formation.
Mesurage bidimensionnel L’ensemble des recherches effectuées sur les états de surface a débouché sur deux méthodes (normalisées ISO) de mesurage et de traitement qui sont différentes mais complémentaires :
• La méthode dite de la ligne enveloppe supérieure (ou système E) • La méthode dite de la ligne moyenne (ou système M)
Le système de la ligne moyenne, le plus ancien, a été développé à une époque où l’informatique n’existant pas, les seules possibilités de traitement se limitent à l’amplification et au filtrage d’un signal analogique. Il permet de calculer de façon analogique des paramètres autour d’une ligne moyenne (électrique) en répartissant de manière égale les pics et creux. Pour avoir une approche fonctionnelle, il faut tenir compte des parties actives de la surface orientées vers l’extérieur ! D’où le développement du système de la ligne enveloppe supérieure. A l’origine traitement manuel, le système de la ligne enveloppe supérieure applique un algorithme de type "reconnaissance de forme" sur le profil mesuré pour en évaluer les écarts géométriques. Les méthodes sont différentes mais complémentaires. Aujourd’hui, tous les appareils à contact du marché permettent de mesurer suivant les deux méthodes.
Mesurage tridimensionnel A l’échelle micrométrique, les surfaces étant tridimensionnelles, des recherches ont lieu pour leur mesure et leur traitement 3D. Les premiers appareils développés voient le jour dans différents laboratoires et entreprises dès 1980. Aujourd’hui, la mesure tridimensionnelle de l'état de surface est en cours de normalisation, étant donnée la forte demande du milieu industriel.
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2.
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Fonctionnalités des surfaces Les spécifications d’état de surface doivent être déterminées à partir de l’application fonctionnelle de la surface afin de garantir aux produits la qualité demandée.
Le choix d'un état de surface ne peut être déterminé au mieux qu'expérimentalement ou, à défaut, par analogie avec des surfaces de fonctionnalités semblables.
Mauvais
Bon
Figure 2 : Cas d'une glissière
Réserves d’huile
Dans le schéma ci-dessus, c’est une fonction frottement de glissement (symbole FG), glissement lubrifié entre deux pièces en mouvement relatif qui doit être spécifiée. La seule spécification de la rugosité n'empêche pas le phénomène ondulatoire qui espace les contacts mécaniques et rompt le film d'huile, condition de durabilité fonctionnelle. D'où la spécification du taux de longueur portante et de l'ondulation pour intégrer les réserves de lubrification. Le système E propose un tableau de synthèse pour chaque fonction (voir tableau 3) : Surface
Fonction appliquée à la surface Désignation Symbole " Glissement (lubrifié) FG Frottement à sec avec
Roulement
déplacement Résistance au matage Contact de
relatif
Frottement d'un fluide
deux pièces
avec joint Etanchéité dynamique
sans joint avec joint
assemblage fixe
Etanchéité statique Ajustement fixe avec contrainte Adhérence (collage)
avec
Outils (face de coupe)
contrainte
Résistance aux efforts alternés
Surface
sans joint
Résistance à la corrosion
indépendante
sans
Revêtement (peinture)
contrainte
Dépôt électrolytique Mesurage Aspect
" : les abréviations (FG, etc.) sont les initiales des termes français. Tableau 3 : Liste des fonctionnalités des surfaces (issu de ISO 12085)
FS FR RM FF ED ED ES ES AC AD OC EA RC RE DE ME AS
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3.
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Spécifications De l'état de surface d'une pièce dépendent des fonctionnalités telles que : résistance à la flexion, résistance aux efforts alternés, aptitude aux frottements secs, visqueux ou fluides, résistance à la corrosion ou à l'usure, conductions thermique et électrique, étanchéités statique et dynamique, esthétique, etc. L'état de surface a une grande importance, notamment pendant la période de rodage. La fonction de la pièce et le choix du mode d'usinage font qu'il y a généralement un rapport étroit entre l'état de surface et la qualité des tolérances dimensionnelles. La prescription d'un état de surface implique également que les écarts de forme soient maintenus dans des limites admissibles. Un état de surface ne doit pas être demandé, s'il n'est pas essentiel pour la fonction, la durée ou éventuellement l'aspect du produit, car des spécifications de valeurs anormalement serrées augmentent inutilement le coût d'obtention. Si un fournisseur ne peut utiliser les paramètres portés au plan, il y a lieu, exceptionnellement, de négocier, cas par cas, d'autres paramètres avec les services habilités.
3.1
Typologie des surfaces
3.1.1
Vocabulaire Partie extérieure d’un corps qui le limite en tous sens du milieu environnant. Profil résultant de l’intersection de la surface avec un plan spécifié : profil de référence, total (ou P), de rugosité (ou R), d’ondulation (ou W), etc. (ISO 3274). Représentation numérique du profil tracé rapportée au profil de référence, avec les Profil total cordonnées horizontales et verticales correspondantes (ISO 3274). Imperfection de Elément, irrégularité ou groupe d’éléments ou d’irrégularités de la surface réelle résultant d’actions involontaires ou occasionnelles pendant la fabrication, le stockage surface ou l’utilisation de la surface (ISO 8785). Creux de forme irrégulière et d’orientation non définie Strie (ISO 8785). Surface Profil
Sillon
Creux longitudinal à fond plat ou arrondi (ISO 8785).
Fente
Dépression linéaire avec fond en pointe résultant d’une perturbation de l’intégralité de la surface et du matériau de la pièce (ISO 8785).
Piqûre - Pores
Piqûres : Imperfection en forme de piqûres et de pointes souvent profondes accumulées sur une large partie de la surface (ISO 8785). Pores : cavité de très petite taille à parois raides et arêtes normalement vives dont les bords supérieures ne sont pas plus hauts que la surface de référence tangentielle Note : Suivant ISO 4288, les paramètres d'état de surface ne servent pas à la description des défauts de surface. C'est pourquoi, les défauts de surface tels que rayures et pores ne doivent pas être pris en considération lors de la vérification de l'état de surface. Tableau 4 : Vocabulaire des surfaces
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Typologie La méthode de mesurage la plus utilisée est l'exploitation de la trace agrandie et anamorphosée dans un plan normal à la surface considérée. Cette trace présente une succession de saillies de matière ou pics de profil, séparés par des creux de profil ou vallées. Les pics et les creux constituent les irrégularités géométriques de profil. Exemple : PIC P
P
Espacement ou pas
Profondeur CREUX
MATIERE 250 µm Trace agrandie avec anamorphose
xp
2,5 µm yp
Trace agrandie sans anamorphose
2,5 µm 2,5 µm
xp
yp
Figure 5 : Représentation des irrégularités sur un profil d’état de surface Intégrées aux écarts dimensionnels, les diverses irrégularités géométriques de surface sont quantifiées par leur profondeur, leur espacement (ou pas) et classées en ordres selon leur grandeur et leur origine (Voir tableaux 9 et 10). Anamorphose : On parle d'anamorphose lorsque que l'amplification verticale est différente de l'amplification horizontale Anamorphose graphique Les longueurs palpées (mm) étant importantes en regard des variations verticales enregistrées (µm), l'échelle de représentation verticale est différente de l'échelle horizontale et génère donc une anamorphose importante donnant une image très éloignée de la réalité.
2 µm 2 µm
Surface réelle (grossie 5000 x)
2 µm 2 µm Points digitalisés
Restitution avec anamorphose
250 µm 2 µm
Echelle verticale très inférieure à l'échelle horizontale.
Figures 6 : Anamorphose graphique
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Profil anamorphosé Profil graphiqué dont une échelle est différente de l'autre échelle. Ce que l’anamorphose des profils ne permet pas de voir : •
L’angle d’ouverture d’une surface usinée mécaniquement,
•
Certains rayons à fond de creux.
Ce qui permet une bonne transmission des formes du profil avec un stylet de pointe de 2 µm et un angle de 90°. Pointe du stylet
r≥2µm
Profil anamorphosé
90° r=2µm
Angle d’ouverture 120°
Profil à l’échelle 1/1
Figure 7 : Comparaison du profil anamorphosé et du profil réel
Certaines formes du profil ne sont pas restituées : cas des soufflures, refoulements de matière, crevasses à flancs raides, etc.).
Figure 8 : Formes du profil non restituées par le mesurage
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N° d’ordre
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Irrégularité
Croquis Ecart de forme
ECART DE FORME
1
- rectitude, - circularité,
20 µm
Ecart de :
- .. Par défaut : 0,5 mm < Pas < 2,5 mm
ONDULATION 5 µm
2
Par défaut : Pas < 0,5 mm
Stries, sillons
ARRACHEMENT
4
Marque d’outil,
2,5 µm
RUGOSITE
1 µm
3
Fente,
1 à 4
PROFIL TOTAL
10 µm
Piqûre, ..
(somme des écarts) Tableau 9 : Typologie des surfaces (suivant NF E 05-015 de 1984) Note : Il ne sert à rien d'affiner la rugosité si les écarts d’ondulation et de forme ne sont pas réduits à un niveau compatible à une fonction donnée.
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N° d’ordre
Surface spécifiée Signification par rapport à la fonction
1
Ecart de forme
er
1 et 2 sur :
ème
ordres influent
• Frottement de glissement et roulement. • Résistance au matage. • Etanchéité dynamique. • Etanchéité statique.
2
Créent : • Usure.
Ondulation
• Grippage. Diminuent : • Durée de vie organes.
Origines des écarts au cours de l’élaboration Procédé d’usinage
Machine
Matériau usiné
Installation
!Déformation de la pièce : • Pendant l’usinage, indépendamment du procédé. • Après l’usinage, dépendant du matériau (libérations des contraintes internes). !Fraisage (pas d’ondulation : par exemple, avance par tour de fraise). !Inclinaison de la fraise (en bout). • Mauvais affûtage. • Mauvais réglage des dents. • Rectification : mauvais diamantage de la meule.
3
Rugosité
3ème et 4ème ordres influent !Procédé par enlèvement de copeaux : stries, sillons sur : dus à l’avance de l’arête • Ecoulement des fluides. coupante de l’outil ; à l’avance par tour de la • Etanchéité dynamique. pièce ou de la meule, etc. • Etanchéité statique. !Procédé de formage à • Revêtement. froid ou à chaud : bosses et cratères juxtaposés. • Adhésivité. !Géométrie d’affûtage de l’outil. !Qualité de la meule.
4 Arrachement
• Dépôt électrolytique. • Résistance aux efforts alternés.
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!Défaut de bridage. !Flexion des éléments de la machine !Qualité du guidage des éléments coulissants. !Usure des organes.
!Vibrations basses fréquences : • de la pièce. • de l'outil. • des deux, dues aux flexions, mauvais guidage et équilibrage des éléments de la machine et également à l’insuffisance de l’isolation passive et active de l’installation. !Vibrations hautes fréquences (causes analogues à celles énumérées ci-dessus). !Installation de lubrification : • Lubrifiant : nature, qualité lubrifiante, action de refroidissement, stabilité dans le temps. • Mode d’arrosage. • Filtre : efficacité du système (entre autres fréquences de nettoyage).
!Qualité d’affûtage de l’outil et du diamantage de la meule. !Hétérogénéité, plasticité du matériau
Tableau 10: Origines et conséquences possibles des irrégularités
Cette énumération n’est pas limitative, elle est donnée à titre d’exemple.
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Historique de la spécification Anciennement (1931-1978), la discrimination de surface s’effectuait par des symboles. La norme DIN 3141 de 1960 (annulée) proposait la classification suivante : sans : surface brute, pouvant présenter un aspect irrégulier, ~ : surface sans enlèvement de copeaux (laminage, étirage) ou meulage léger (ébarbage, meulage). ! : usinage grossier, surface façonnée, pouvant être utilisée comme surface de contact pour des assemblages fixes. !! : usinage avec exigence de fini, surface façonnée de bonne correction géométrique, assemblages fixes précis. !!! : surface polie, surface façonnée de bonne qualité géométrique et frottante, pièces ajustées (mobiles). !!!! : surface polie, rodée. Certains pays utilisaient des classes pour discriminer les valeurs R10/3 du paramètre Ra : N1 (Ra 0,025 µm) à N12 (Ra 50 µm)
Tableau 11 : Historique de la spécification des états de surface
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Tableau 12 : Historique de la spécification des états de surface
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Symbolique Selon ISO 1302 Rappel : Si la direction de mesurage n´est pas spécifiée, la pièce doit être positionnée de sorte que la direction de la section corresponde aux valeurs maximales des paramètres de hauteur de rugosité de surface (Ra, Rz). Cette direction sera normale à la direction des irrégularités de la surface à mesurer. Pour des surfaces isotropes, la direction de la section peut être arbitraire (ISO 4288).
3.3.1
Définition géométrique des paramètres Limite de spécification supérieure et inférieure U ou L
Bande de transmission
Longueur d’évaluation
Paramètre d’état de surface Type de filtre Profil
Caractéri stique
Valeur limite
Interprétation de la limite de spécification (16% ou max)
U «X» 0,08-0,8 / Rz8max 3,3 meulé
U «X» 0,08-0,8 / Rz8max 3,3
Type de procédé de fabrication
Stries de surface
Procédé de fabrication
Figure 13 : Iindication des exigences d'état de surface sur les dessins techniques La désignation du paramètre et la valeur numérique associée qui doivent être indiquées comprennent 11 éléments d'information suivants qui sont essentiels pour l'interprétation de l'exigence : •
Indication de la limite de spécification supérieure (U) ou inférieure (L).
•
Type de filtre «X». Le filtre normalisé est le filtre gaussien (ISO 11562). Le filtre précédemment normalisé était le filtre 2RC. A l’avenir, d’autres types de filtres pourront être normalisés. Dans la période de transition, il peut être pratique pour certaines sociétés d’indiquer le type de filtre sur les dessins, ce qui peut se faire en précisant «gaussien» ou «2RC». Ceci n’est pas normalisé, mais c’est une indication du nom du filtre, proposée de façon à lever toute ambiguïté.
•
La bande de transmission est indiquée en tant que filtre passe-bas ou filtre passe-haut.
•
Un des trois profils de surface est indiqué : # P : paramètre de structure, # W : paramètre d'ondulation, # R : paramètre de rugosité,
•
La caractéristique du profil qui est indiquée.
•
Le nombre de longueurs de base qui constituent la longueur d'évaluation.
•
Interprétation de la limite de spécification (règle des 16 % ou règle de la valeur maximale).
•
La valeur du paramètre.
•
Type de procédé de fabrication.
•
Stries de surface.
•
Procédé de fabrication.
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Symbole graphique L'indication d'état de surface est normalisée ISO (ISO 1302). Symbole
Signification Symbole de base Enlèvement de matière exigé
Enlèvement de matière interdit
ou
Symbole complet (caractéristiques complémentaires)
ou
Pour toutes les surfaces sur le contour d'une pièce
Tableau 14 : Symboles graphiques des états de surface 3.3.3
Indications ajoutées au symbole graphique
3.3.3.1
Disposition des exigences d'états de surface complémentaires Les diverses exigences d'état de surface dans le symbole graphique complet sont indiquées comme suit :
e
Position a
c/f a d b
: une seule exigence d'état de surface.
Position a et b : plusieurs exigences d'état de surface. Position c
: procédé de fabrication.
Position d
: stries de surface et orientation.
Position e
: surépaisseur d'usinage.
Position f
: fonctionnalité de la surface.
Figure 15 : Positions pour l'emplacement des exigences complémentaires
Les indications des symboles de fonctionnalités attendues de la surface ne sont pas spécifiées dans les normes ISO. Elles sont à placer en (Convenance aux groupes PSA Peugeot Citroën et Renault).
Le tableau des fonctionnalités est rappelé à la page 6.
Exemple d'indications :
tourné / AC
c
R8
f
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Indications des stries de surface et orientation
Symbole
=
Interprétation
Exemple
Parallèle au plan de projection de la vue sur laquelle le symbole figure. Direction des stries
⊥
Perpendiculaire au plan de projection de la vue sur laquelle le symbole figure. Direction des stries
X
Croisé dans deux directions obliques par rapport au plan de projection de la vue sur laquelle le symbole figure. Direction des stries
M
Multidirectionnel.
C
Approximativement circulaire par rapport au centre de la surface à laquelle le symbole s'applique.
R
Approximativement radial par rapport au centre de la surface à laquelle le symbole s'applique.
P
Stries particulières, non directionnelles ou protubérantes.
S'il est nécessaire de spécifier des irrégularités de surface qui ne sont pas définies par l'un de ces symboles, elles doivent être indiquées sur le dessin par une note appropriée Tableau 16 : Indications des stries de surface (Issu de ISO 1302)
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Valeurs Les paramètres de hauteur (rugosité, ondulation) sont à spécifier en micromètres (µm). Les paramètres d'espacement (pas) sont à spécifier en millimètres (mm). Les taux de longueur portante sont à spécifier en pourcentage (%). Les valeurs sont à choisir préférentiellement dans le tableau ci-dessous (Anciennement série normalisée R10/3 ou R10). 0,008 0,08 8 80 0,8 800 0,010 10 1,00 1000 0,100 100 0,012 0,125 1,25 125 1250 12,5 Les valeurs préférentielles 0,016 0,16 16 160 1,6 1600 sont indiquées en gras. 0,020 20 2 2000 0,20 200 0,025 0,25 2,5 250 25 0,032 0,32 32 320 3,2 0,040 40 4 0,40 400 0,050 0,50 5 500 50 0,063 0,63 63 630 6,3 Tableau 17 : Valeurs des paramètres de rugosité et d'ondulation
Valeur nominale de R en µm
50
25
12,5
6,3
3,2
1,6
0,8
0,4
0,2
0,1
$ Grenaillage $ $ Rabotage $ $ Sciage $ Oxycoupage $ $ $ Fraisage en bout $ $ $ Fraisage en roulant $ $ $ Tournage $ $ Alésage à l'outil $ $ Alésage à l'alésoir $ $ Perçage au foret $ $ $ Rectification plane $ $ $ Rectification cylindrique $ $ Pierrage $ Toilage $ $ $ $ Rodage $ $ Electro érosion $ $ Meulage main $ Limage $ Pierrage main $ Grattage Réalisations usuelles $ Réalisation exeptionnelles Tableau 18 : Valeurs de R pour les différents procédés d'usinage
$ $
$ $
$
Les valeurs inférieures à 0,10 µm sont peu réalistes pour les paramètres autres que Ra. Les valeurs du taux de longueur portante sont à spécifier parmi les valeurs suivantes : en % 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70
80
90
Une valeur prescrite seule représente la limite supérieure du paramètre. Dans le cas de surfaces revêtues (exemple : chromage), la valeur d'état de surface spécifiée s'applique, sauf indication contraire, à l'état de surface après traitement ou revêtement. Le choix d’un état de surface ne peut être défini qu’expérimentalement ou à défaut par analogie avec des pièces semblables de même fonction. L’état de surface prescrit doit être l’état final du produit ou, sur mention spéciale, l’état précédent immédiatement une opération qui nécessite un état de surface défini (dépôt électrolytique, peinture, etc.).
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18
GE40-082N
Sauf indication contraire, les valeurs spécifiées sont des valeurs maximales et chaque fois que possible, l’écart de forme maximal admissible est spécifié.
On admet généralement que la valeur de R ne doit pas excéder : IT = pour les qualités grossières ≥ 8 2 IT = pour les qualités fines ≤ 7 4 IT étant l'intervalle de tolérance dimensionnelle
U AR 250 L AR 125
Exemples d'indication au plan
Fraisé/ES R 6,3 W 3,2
nota 1
3.4
ES -0,1/1/R 4 AC UR8 Nota 1 : Taux de longueur portante Pδc : 1,5 < C 20% - C 3% < 3 Pδc : 2 < C 70% - C 20% < 4 Pδc : 2,5 < C 97% - C 70% < 4
R 16
Figure 19 : Exemple de plan
Remarque 1 : Suivant les systèmes ou outils, il est possible de trouver "Pdc" au lieu de "Pδc". Remarque 2 : Dans le cadre du suivi de production, il ne faut pas oublier sur les documents "produit" mais également "processus" de mentionner les paramètres secondaires et induits à mesurer, qui découlent de la fonction appliquée à la surface. Exemple : si R 6,3 est spécifié pour une fonction FG, spécifier W 5 et éventuellement AW.
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19
4.
De la mesure aux paramètres
4.1
Vocabulaire spécifique aux profils Saillie du profil : (d'après ISO 4287)
GE40-082N
Partie du profil évalué dirigée vers l'extérieur (de la matière vers le milieu environnant) et reliant deux intersections consécutives du profil avec la ligne moyenne.
Saillie locale du profil : Partie du profil comprise entre 2 minima adjacents du profil. (d'après ISO 12085) Saillie locale du profil
Figure 20 : Saillie locale du profil
Creux du profil Partie du profil évalué dirigée vers l'intérieur et reliant deux intersections (D'après ISO 4287) consécutives du profil avec l'axe des X. Creux local du profil Partie du profil comprise entre 2 maxima adjacents du profil. (D'après ISO 12085) Creux local du profil
Figure 21 : Creux local du profil
: Portion du profil primaire comprise entre les points les plus hauts de 2 saillies locales du profil, consécutives ou non.
X
H j+1
Z
Hj
Motif (D'après ISO 12085)
AR i
Motif
Figure 22 : Décomposition du profil en motifs de rugosité
Un motif est caractérisé par : • sa longueur (ARi ou AWi) mesurée parallèlement à la direction générale du profil, • ses deux profondeurs (Hj et Hj+1)) mesurées perpendiculairement à la direction générale du profil, • sa caractéristique T = MIN[Hj:Hj+1] qui est égale à la plus petite des deux profondeurs.
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GE40-082N
Ligne enveloppe supérieure
Hw j+1
Hw j
Motif : d'ondulation Motif déterminé sur la ligne enveloppe supérieure du profil primaire en (D'après ISO 12085) utilisant l'opération théorique avec la valeur B (voir tableau 36).
AW i
T = MIN [Hw j ; Hw j+1]
Ici T = Hw j+1
Figure 23 : Motif d'ondulation
Longueur d’évaluation Ln : (D'après ISO 4287)
Longueur, dans la direction de l’axe des X, utilisée pour établir le profil à évaluer.
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4.2
21
GE40-082N
Définitions des profils Profil tracé : (D'après ISO 3274)
Lieu géométrique du centre d’un stylet, ayant une forme géométrique idéale et des dimensions et forces d’appui nominales, lorsque ce stylet parcourt la surface. 100 µm 80 60 40 20 0
mm 0
5
10
15
Figure 24 : Exemple de profil tracé
Profil référence : (D'après ISO 3274)
Chemin parcouru par le stylet, le long de la référence de guidage dans le plan d'intersection.
Profil total : (D'après ISO 3274)
Représentation numérique du profil tracé rapportée au profil de référence, avec les cordonnées horizontales et verticales correspondantes µm 50 40 30 20 10 mm
0 0
5
15
10
Figure 25 : Profil redressé par une droite des moindres carrés.
Profil primaire : (D'après ISO 3274)
Profil issu du profil total après application d’un filtre de longueur d’onde courte λs µm 20 15 10 5 mm
0 0
5
10
15
Figure 26 : Forme extraite du profil total après application du filtre Note : les profils, total et primaire, peuvent subir des extractions de forme (droite, cercle ou complexe). C’est au delà du profil primaire que les deux systèmes (système E et système M) divergent quant au traitement des profils de rugosité et d’ondulation.
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4.3
22
GE40-082N
Représentation de l'acquisition et des traitements d'un état de surface
Surface
Référence de guidage
Pointe de palpeur
Profil référence
50 40 30 20 10 0
µm
mm 0
5
10
100 µm 80 60 40 20 0 0
Profil tracé
mm 5
15
10
Profil Total
15
Elimination de la forme nominale Filtre de profil Ls µm
Paramètres du profil primaire et taux de longueur portante
Algorithme
P
SYSTEME E Combinaison des Motifs Ondulation
Ligne enveloppe sup. corrigée
Profil Primaire
Combinaison des Motifs Rugosité
Paramètres Taux de longueur Paramètres d’ondulation de rugosité portante
20 15 10 5 0 0
mm 5
10
15
SYSTEME M Filtre de profil Lc
Filtre de profil Lf
Profil
Profil
R
W
Algorithme
Algorithme
Paramètres de rugosité et taux de longueur portante
Paramètres d’ondulation et taux de longueur portante
Figure 27 : Représentation schématique des différentes phases d'acquisition et de traitements Filtre de profil Ls : Filtre qui définit la séparation entre les composantes de rugosité et les composantes d’onde encore plus courtes présentes sur la surface. Filtre de profil Lc : Filtre qui définit la séparation entre les composantes de rugosité et d’ondulation. Filtre de profil Lf : Filtre qui définit la séparation entre les composantes d’ondulation et les composantes d’onde encore plus longues présentes sur la surface. Suivant les systèmes ou outils, il est possible de trouver "Ls, Lf, Lc" ou "λs, λf, λc".
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4.4
23
GE40-082N
Paramètre du profil primaire Les paramètres du profil primaire sont communs aux 2 systèmes E et M.
Pt
Hauteur totale du profil primaire
Somme de la plus grande des hauteurs de saillies et de la plus grande des profondeurs de creux du profil, à l'intérieure de la longueur d'évaluation
Pt
Tableau 28 : Paramètre du profil primaire
Largeur moyenne des éléments du profil
Xs 1
Xs 2
Xs 3
Xs 4
Xs 5
Xs 6
Valeur moyenne des largeurs des éléments du profil, Xs, à l'intérieur d'une longueur de base
1 m ∑ m i=1 Xsi
PSm
Longueur de base
Tableau 29 : Largeur des éléments du profil
La longueur de base du profil primaire est égale à la longueur d'évaluation (ISO 4287)
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24
4.5
Le système E
4.5.1
Introduction
GE40-082N
Cette méthode permet de déterminer les paramètres de rugosité et d'ondulation à partir du profil primaire en recherchant les motifs caractéristiques de la surface en cours d'examen. Elle n'est liée à aucun filtre de profil et donne des paramètres qui sont basés sur la profondeur et la largeur des motifs. Ces paramètres, complémentaires à ceux définis dans l'ISO 4287, peuvent être utilisés pour décrire les propriétés des pièces. L'une des particularités de ce système est que la longueur d'exploration est confondue avec la longueur d'évaluation des paramètres. Note : Auparavant, l'évaluation des paramètres étaient faite manuellement. 4.5.2
Méthode des motifs (ISO 12085) La méthode impose 4 conditions.
Etape 1 : Recherche des motifs de rugosité sur le profil primaire Motif de rugosité : (D'après ISO 12085)
Motif calculé en utilisant l'opérateur théorique avec la valeur A (voir tableau 31) Portion du profil primaire comprise entre les points les plus hauts de deux saillies locales du profil, consécutives ou non.
Hj Hj+1 ARi Figure 30 : Motifs de rugosité La reconnaissance puis la combinaison des motifs sont basées sur un opérateur comportant 4 conditions particulières (voir ci-dessous et figure 32).
• I - Condition d’enveloppe La première condition sélectionne les pics les plus élevés que l’un des pics avoisinants.
• II - Condition de largeur La deuxième condition limite la longueur des motifs à la valeur A, limite conventionnelle entre rugosité et ondulation (Voir tableau 31) Longueur d’évaluation en mm
A mm
16 < L ≤ 80
2,5
3,2 < L ≤ 16
0,5
0,64 < L ≤ 3,2
0,1
L ≤ 0,64
0,02
Tableau 31 : Longueur limite des motifs Note : Sauf spécification particulière, la valeur par défaut doit être A = 0,5 mm
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GE40-082N
• III - Condition d’agrandissement La troisième condition sert à éliminer les plus petits pics, encadrés par des grands pics dans le but d'obtenir le plus grand motif possible.
• IV - Condition de profondeur relative La quatrième condition permet de limiter la combinaison des motifs de profondeurs sensiblement égales, en particulier sur les surfaces périodiques (évite l’élimination des pics de profondeur voisine des pics adjacents). Les paramètres de rugosité sont calculés sur la hauteur (axe Z) ou le pas (axe X) des motifs.
1- Condition d’enveloppe
2 - Condition de largeur
3- Condition d’agrandissement
+
+
+
+
+
4 - Condition de profondeur relative
F i g u r e 3 2 : R e c h e r c h e d e s mo t i f s s u r p r o f i l Une fois les 4 conditions remplies, le profil primaire est décomposé en motifs de rugosité. A présent les paramètres de rugosité peuvent être calculés.
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GE40-082N
Etape 2 : Calcul des paramètres de rugosité Rx puis R et AR Profil de rugosité - bornage horizontal A
Rx
Profondeur maximale d’une irrégularité de profil (ISO 12085)
Plus grande des profondeurs Hj à l’intérieur de la longueur d’évaluation
R
Profondeur moyenne des motifs de rugosité (ISO 12085)
Moyenne arithmétique des profondeurs HJ des motifs de rugosité, à l’intérieur de la longueur d’évaluation
Hj ARi
AR
Moyenne arithmétique des longueurs ARi des motifs de rugosité à l’intérieur de la longueur d’évaluation
Pas moyen des motifs de rugosité
Tableau 33 : Définitions et représentation des paramètres de rugosité
Etape 3 : Détermination de la ligne enveloppe supérieure du profil
H
Ligne enveloppe supérieure du Segments de droite joignant les points les plus hauts des saillies du profil primaire, après discrimination conventionnelle de certaines profil primaire saillies. (ISO 12085)
Ligne enveloppe supérieure
Figure 34 : Représentation de la ligne enveloppe supérieure A partir des motifs de rugosité de profondeur Hj, calculer Hj (moyenne des Hj) et σHj (écart type). Toute profondeur de saillie ou creux local supérieure à H = figure 30).
Hj +1,65 σHj est ramenée à cette valeur H (voir
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GE40-082N
Etape 4 : Recherche des motifs d'ondulation sur la ligne enveloppe supérieure Motif d’ondulation : (ISO 12085)
Motif déterminé sur la ligne enveloppe supérieure du profil primaire en utilisant l’opérateur théorique avec la valeur B (voir tableau 36). Ligne enveloppe supérieure
Figure 35 : Méthode des motifs pour l'ondulation
Les 4 conditions utilisées pour la recherche des motifs sont à nouveau appliquées pour la recherche des motifs d'ondulation.
• I - Condition d’enveloppe La première condition sélectionne les pics les plus élevés que l’un des pics avoisinants.
• II - Condition de largeur La deuxième condition limite la longueur des motifs à une valeur comprise entre A et B, limite conventionnelle entre ondulation et forme. Les valeurs de A et B sont les suivantes : Longueur évaluation mm
A mm
B mm
16 < L ≤ 80
2,5
12,5
3,2 < L ≤ 16
0,5
2,5
0,64 < L ≤ 3,2
0,1
0,5
L ≤ 0,64
0,02
0,1
Tableau 36 : Longueurs limites des motifs Note : Sauf spécification particulière, la valeur par défaut doit être B = 2,5 mm Pour des applications particulières, d’autres bornages peuvent être choisis, par exemple pour des produits plats : L = 80 à 120 mm, B = 5 mm pour un rayon r de pointe de 5 µm.
• III - Condition d’agrandissement La troisième condition sert à éliminer les plus petits pics, encadrés par des grands pics dans le but d'obtenir le plus grand motif possible.
• IV - Condition de profondeur relative Une fois les 4 conditions remplies, le profil primaire est décomposé en motifs d’ondulation; les paramètres d’ondulation peuvent être calculés.
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GE40-082N
Etape 5 : Calcul des paramètres d'ondulation W, AW, Wx et Wte. Profil d’ondulation - bornage horizontal B Profondeur maximale d'ondulation
Plus grande des profondeurs HwJ des motifs d’ondulation, à l’intérieur de la longueur d’évaluation.
Profondeur moyenne des motifs d’ondulation
Moyenne arithmétique des profondeurs HwJ des motifs d’ondulation, à l’intérieur de la longueur d’évaluation
AW
Pas moyen des motifs d'ondulation
Moyenne arithmétique des longueurs AWi des motifs d'ondulation, à l’intérieur de la longueur d’évaluation
Wte
Profondeur totale d'ondulation
Distance, mesurée perpendiculairement à la direction générale du profil primaire, entre le point le plus haut et le point le plus bas de la ligne enveloppe supérieure du profil primaire
Wx
W
Tableau 37 : Définition des paramètres d'ondulation
Valeur des paramètres : Pt > Rx > R
et
Wte > Wx > W
Novembre 2003
4.5.3
29
GE40-082N
Fonctionnalités des surfaces Le système E propose un tableau de synthèse pour chaque fonction : les paramètres principaux et secondaires à spécifier, les paramètres induits à contrôler pour assurer au mieux la fonctionnalité requise. Surface
Fonction appliquée à la surface
Paramètres Profil de rugosité
avec
Glissement (lubrifié)
FG
%
Frottement à sec
FS
%
Roulement
FR
%
RM
$
$
FF
%
$
Frottement d'un fluide
de deux
avec joint Etanchéité dynamique
pièces
AR
R
déplacement Résistance au matage Contact relatif
Rx
Symbole"
Désignation
sans joint
ED
Profil d'ondulation W
Wx
Wte
≤0,3R
$
%
$
$
$
%
$
$
%
$
$
%
≤0,6R
≤0,6R
%
$ %
%
≤R
$
$
%
≤R
%
Ajustement fixe avec contrainte
AC
$
Adhérence (collage)
AD
%
avec
Outils (face de coupe)
OC
$
contrainte
Résistance aux efforts alternés
EA
$
%
Surface
Résistance à la corrosion
RC
%
%
indépen- sans
Revêtement (peinture)
RE
dante
Dépôt électrolytique
DE
%
Mesurage
ME
%
Aspect
AS
%
fixe
contrainte
sans joint
%
$
$
assemblage
Pmr(c)
%
ES
avec joint Etanchéité statique
Pt
$
≤0,8R
$
AW
Profil total
$ % $
$
%
$
$
$ ≤2R
%
$
% ≤R $
$
$
% Paramètres principaux : spécifier au moins l'un deux. $ Paramètres secondaires : à spécifier éventuellement selon la fonction de la pièce. L'indication 0,8R, par exemple, veut dire que si le symbole FG est indiqué sur le dessin et que W n'est pas spécifié par ailleurs, la tolérance supérieure sur W est égale à la tolérance sur R multiplié par 0,8. " : les abréviations (FG, etc.) sont les initiales des termes français.
Tableau 38 : Relations entre les fonctionnalités d’une surface et les paramètres de la méthode des motifs pour un bornage : A = 0,5 mm et B = 2,5 mm Remarque : Ce tableau 38 est issu de l'ancienne norme CNOMO E00.14.020.N, il a été repris par la norme ISO 12085 dans laquelle sont précisées les conditions de bornages par défaut :
A = 0,5 mm et B = 2,5 mm Pour d'autres valeurs de ce bornage, il faut rester prudent dans l'utilisation de ce tableau. Ce tableau précise, suivant les fonctions des surfaces et pour chacune d'elles, les paramètres secondaires à contrôler et dans certains cas leurs limites en fonction de celles de R ; mais il est préférable, chaque fois que cela est possible que les Services concepteurs indiquent les valeurs de ces paramètres. NOTE IMPORTANTE : Une erreur s'est glissée dans la norme ISO 12085. Dans le tableau correspondant au tableau 38, ci-dessus, il est écrit Pδc au lieu de Pmr(c) (dernière colonne).
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4.5.4
30
GE40-082N
Exemples de cas concrets MAUVAIS
BON Rj
TYPE Glissement lubrifié Exemples : • Glissières de machines-outils • Paliers de vilebrequin
Pmr(c)
Wi
FILM D’HUILE
Réserves d’huile Logement des particules pouvant rouler et provoquer le grippage
AWi
FG (profil anamorphosé)
C
(profil anamorphosé)
Image du volume d’huile en réserve ..../FG R ... Pmr(c) ...
La seule spécification de R n'empêche pas le phénomène ondulatoire. La microgéométrie des pièces risquent d'espacer les points de contact et de provoquer la rupture du film d'huile. De plus, W doit être ≤ 0,8 R spécifié.
!Spécification : R et Pmr(c) MAUVAIS Mauvais
TYPE Frottement sec
BON
Exemple :
AW
Charbon sur collecteur de moteur électrique
Wx
..../FS R.. Wx ...
" Mesurages à effectuer dans le sens des génératrices et des directrices La seule spécification de R n'empêche pas un phénomène ondulatoire. Si l'ondulation est de formation hélicoïdale, lors de la rotation du collecteur, le profil de surface de chaque lame se déplace en translation. Le profil de rugosité porté par les sommets d'ondulation, agit de façon agressive sur la surface opposée. Ce point aborde le problème de la neutralité des stries.
FS
!Spécification : R et Wx Frottement sec
Rj
ARi
Wx
Exemples : • Disques de frein • tambour
a
...../FS
Wx
R.... Wx ... AR....
ARi a - aa-
La seule spécification de R n'empêche pas un phénomène ondulatoire. L'ondulation devient un obstacle au déplacement d'une pièce par rapport à l'autre.
!Spécification : R, Wx et dans certains cas AR
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31
GE40-082N
MAUVAIS
TYPE Roulement
BON
AWi
Exemple : • Roulement d'un galet
..../FR
Wi
R.. Wx ...
L'ondulation provoque le matage et le marquage des pistes. La neutralité des traces doit être respectées (sillon hélicoïdal de faible pas AR en tournage). L'ondulation est à prendre en considération sur les génératrices et sur les directrices
!Spécification : R et Wx Roulement Exemple : • Roulement à billes
Vibration Wj
FR
Rj
ARi
Rj
..../FR
ARi
Matage Plastification
R.. Wx ...
Roulement AWi
Exemple : • Glissière avec patin d'aiguilles
Après rodage plan Après rectification
100 2
500 0,5
µm
Patin d’aiguilles de diamètre 3
Après 1500 heures de roulement Piste d’aiguille marquée DESTRUCTION
µm
Après 1500 heures de roulement
..../FR R.. Wx ...
(profils anamorphosés)
(profils anamorphosés)
La seule spécification de R n'empêche pas le phénomène ondulatoire. Dans le sens du roulement de l'aiguille, l'ondulation de la piste entraîne sa destruction par matage. Dans le sens de la génératrice de l'aiguille, l'ondulation accentue le marquage des aiguilles et la formation de jeu. W doit être ≤ 0,3 R spécifié.
!Spécification : R et Wx
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32
GE40-082N
MAUVAIS
TYPE Résistance au matage
BON
Exemple : • Chapeau de bielle • poussoir
AR > α R
ARi
Rj Wj
Pmr(c)
..../RM
RM
c AWi
Pmr(c) ... ..../FF
AW > β W
R ...
ARi
(profil anamorphosé) AWi
(profil anamorphosé)
Les surfaces des pièces doivent avoir une bonne assise les unes par rapport aux autres.
!Spécification : Pmr(c)
Pmr(c) ..../ ED sans joint
c
Rx ... Pmr(c) ...
Rx
Exemples : • Piston sans joint assurant une pression • Injecteur fuites • Boite de vitesse automatique : tiroir de distribution hydraulique (profil anamorphosé)
BON Wj
MAUVAIS
TYPE Etanchéité dynamique sans joint
Les surfaces en contact ne doivent pas favoriser les risques de fuite. W doit rester dans les limites admissibles de W ≤ 0,6 R spécifié.
ED
!Spécification : Rx et Pmr(c) joint
ARi Rj
joint
AW
ARi
wx
Exemple : • Joint de vilebrequin
Rj
joint
Rx
Etanchéité dynamique avec joint
..../ ED avec joint R ... WX ...
L'ondulation ne doit pas provoquer de fuite mais la rugosité doit être suffisante pour permettre la lubrification du joint. W ≤ 0,6R + neutralité des stries.
!Spécification : R et Wx
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33
MAUVAIS
TYPE Frottement d'un fluide Exemples : • Canalisation hydraulique • Collecteur
GE40-082N
BON AR > α R
ARi AIR
Wj
Rj
FF AWi
..../FF 0,008-0,5/2,5/16/ R ...
AW > β W
Une rugosité inadaptée provoquerait des perturbations, donc des obstacles à l'écoulement du fluide. AR AW et doivent rester dans les limites admissibles fixées Les rapports R W expérimentalement.
!Spécification : R MAUVAIS
TYPE Etanchéité statique
Rx (rayure) joint
pour
Wte
Exemples : • Joint de culasse • Joint de carter • Joint d'embase distributeur pneumatique
BON
AWi Fuite
Exemple de profil réel mauvais : plan de joint de bloc moteur. Spécification de Wx dans la zone sensible de fuite AWi
Rx ... Wte ...
(1,5 mm)
15 µm
Wx
ES
..../ ES
Si les surfaces sont une succession de pics et de creux irréguliers, le joint, si souple soit-il, ne peut pas combler toutes ces irrégularités. W doit rester dans les limites admissibles de W ≤ R spécifié.
! Spécification : Rx et Wte TYPE
MAUVAIS
BON
Ajustement fixe avec contrainte Exemple : • Chemise fonte insérée dans un carter moteur alu
AC
..../ AC
Bague en caoutchouc devant Pmr(c) ... résister au glissement sur arbre d'acier Chaque combinaison implique le choix de conditions particulières. Pmr(c) à une faible valeur de c est la caractéristique d'ancrage d'un élément sur l'autre et de résistance au matage.
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34
GE40-082N
! Spécification : Pmr(c)
MAUVAIS
TYPE Résistance aux efforts alternés
Pmr(c) Pmr(c) Rx
ARi
c
c
AR < α R
Rj
EA
Exemples : • Barres de torsion • Ressort • Amortisseur
BON
crique Concentration de contraintes sur la section la plus faible
..../ EA Rx ..
La surface ne doit pas présenter d'amorce de rupture, d'où la spécification de Rx. AR peut également être mentionné. Le rapport R
! Spécification : Rx
MAUVAIS
Exemples : • Bec de pied à coulisse • Touches de micromètre
AW i
BON
Rj
ARi Wj
ME
TYPE Mesurage (ME)
..../ ME R ..
W ≤ R spécifié.
! Spécification : R
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4.5.5
35
GE40-082N
Correspondances entre les anciens critères CNOMO et les paramètres ISO L'évolution des normes, l'ancienneté d'un parc de profilomètres, l'interprétation des normes par les fabricants de profilomètres font que le libellé et/ou le mode de calcul du même paramètre peut évoluer et rendre son interprétation difficile. SYSTEME E CNOMO E00.14.010.N Août 83
Mars 93
Pt
Pt
MARQUE &
ISO 12085 (96) ISO 4287 (97) Somicronic Pt
Pt
Hommel
Mahr
Taylor
PTF R-F
R
R
R
R
Pt-F R-F
W
W
W
W
W-F
W-F
AW
AW
AW
AW
Aw-F
AW
Wmax
Wx
Wx '
Wmax
Wm-F
WMX
Pt R Ar Rx Wt / Wte W Aw Wx
AR
AR
AR
AR
AR-F
AR
Rmax
Rmax
Rx '
Rmax
Rm-F
RMX
Wt
Wt
Wte '
Wt
Wt-F
WTF
Tp(c) CR
Tp(c) "
Pmr(c) '
Pδc
Pδc
Pmr(c) Cr
Tpa / TPA Cr
TP(C)/Pmr(c) Cr
HTp HTp / -
CF
Pδc
Pδc
CF
CF
CF
HTp / -
CL
CL
CL
HTp / -
CL
Pδc Pδc Tr(c) Rmr(c) ' CRR CFR CLR " : Paramètres dont le calcul a changé
Rmr(c) Tpi / TPI TR(C)/Rmr(c) CRR CFR CLR ' : Paramètre dont le libéllé a changé
-
& : Suivant versions Tableau 39 : Correspondances entre les différentes appellations et évolution des paramètres normalisés en mesure d'états de surface
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36
4.6
Le système M
4.6.1
Introduction
GE40-082N
Contrairement au système E, c'est une méthode qui n’est liée à aucun filtre de profil. Le système M de la ligne moyenne modifie intentionnellement le profil à l’aide de filtres normalisés. Dans ce système, la longueur d'exploration est supérieure à la longueur d'évaluation, elle est fonction de la longueur de base. Définition de la ligne moyenne (ISO 4287) : ligne déterminée en calculant, à partir du profil primaire, une ligne des moindres carrés de forme nominale 4.6.2
Principe Le profil filtré est décomposé en plusieurs longueur de base.
Longueur de base Longueur d’évaluation ln Longueur d’exploration L
Figure 40 : Représentation des différentes longueurs
Longueur de base : (ISO 4287)
Longueur, dans la direction de l’axe des X, utilisée pour identifier les irrégularités caractérisant le profil à évaluer.
La longueur de base est égale à la longueur d’onde caractéristique des filtres de profils. Pour un profil de rugosité la longueur de base est lr, elle correspond à la longueur d’onde du filtre λc qui permet de séparer les composantes de rugosité et d’ondulation. Pour un profil d’ondulation la longueur de base est lw, elle correspond à la longueur d’onde du filtre λf qui permet de séparer les composantes d’ondulation et de plus forte longueur d’onde.
Par défaut, la longueur d’évaluation est ln = 5 lr, ce qui implique une longueur d'exploitation L = 6lr
Novembre 2003 4.6.3
37
GE40-082N
Les différentes étapes
Les étapes du système M µm 20 15 10 5 mm
0 0
5
15
10
Profil Primaire P
Filtre de Profil Lc
Filtre de Profil Lf
Profil R
Profil W
Algorithme
Algorithme
Calcul des paramètres de rugosité sur chaque longueur de base et taux de portance
Calcul des paramètres d’ondulation sur chaque longueur de base et taux de portance
Figure 41 : Représentation des étapes du système M
4.6.4
Calcul des paramètres (ISO 4288)
4.6.4.1
Paramètres définis sur la longueur d’évaluation
PARAMETRE DE RUGOSITE sur la longueur d’évaluation
Rt
Hauteur totale du profil de rugosité
Zp Zv
Rt
Tableau 42 : Définition et représentation de Rt
Somme de la plus grande des hauteurs de saillie (Zp) et du plus profond des creux (Zv), dans la longueur d'évaluation.
Novembre 2003 4.6.4.2
38
GE40-082N
Paramètres définis sur la longueur de base
PARAMETRES DE RUGOSITE sur la longueur de base
Rz
Hauteur maximale
Somme de la plus grande des hauteur de saillie (Rp) et de la plus grande des profondeurs de creux du profil (Rv) , à l’intérieur d’une longueur de base.
Rp
du profil
Rz
RSm
Largeur moyenne des éléments profil
Ra
Rv
du Xsi
Ecart moyen arithmétique du profil de rugosité
Valeur moyenne des largeurs Xsi des éléments du profil, à l’intérieur d’une longueur de base. Moyenne arithmétique des valeurs absolues des ordonnées à l’intérieur d’une longueur de base.
Ra
1 lr Ra = ∫ Z(x) dx l 0 Tableau 43 : Définition et représentation de définis sur la longueur de base
Valeur des paramètres :
Pt ≥ Rt ≥ Rz > Rp > Ra.
Par analogie, pour les paramètres d'ondulation (Wt, Wa), la même règle s'applique.
4.7
Courbes et paramètres associés
4.7.1
Généralités et intérêts Au cours du fonctionnement, les profils des surfaces en contact se modifient sous l'effet des sollicitations externes, telles que les charges ou le rodage. Les pics sont écrêtés et la surface portante est augmentée. c Ml(c)->
Longueur d'évaluation ln Figure 44 : Ecrêtage des pics 4.7.2
Taux de longueur portante La spécification du taux de longueur portante offre au spécificateur la possibilité de caractériser fonctionnellement un profil d’état de surface. Le taux de longueur portante est le rapport de la longueur portante du profil à un niveau de coupe donné c, Ml(c) à la longueur d'évaluation ln. Pmr(c), Wmr(c), Rmr(c) =
Taux de longueur portante relatif Il peut être calculé sur chacun des trois profils P, W ou R.
Ml(c) ln
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La transcription graphique du taux de longueur portante est donnée par la courbe d'Abbott Firestone :
c Ml(c)->
Longueur d'évaluation
0 20
40
80
60
100% c
Figure 45 : Transcription graphique pour le tracé de la courbe d'Abott Firestone Selon le profil P, W ou R pris en référence, une différence de hauteur entre deux niveaux de coupe Pδc, Wδc ou Rδc d'une courbe du taux de longueur portante peut être définie en fonction de deux bornes Pmr1, Wmr1, Rmr1 et Pmr2, Wmr2, Rmr2.
4.7.3
Différence de hauteur de coupe du profil Pδc : P si la coupe est déterminée sur le profil primaire (sans filtrage) Rδc : R si la coupe est déterminée sur le profil de rugosité (redressé suivant la ligne moyenne pour le système M et suivant la ligne enveloppe pour le système E) Exemple sur un profil R : 0
Rmr1
Rmr2
100
Rmr(c) %
Rδc = C(Rmr1) -C(Rmr2) R δc
Sur les profilomètres, δ (delta) prendra comme équivalent textuel la lettre d. (exemple : Rδc devient Rdc).
C µm Figure 46 : Représentation de la courbe d'Abott Firestone En fonction du bornage vertical, il est possible de paramètrer les phases de rodage d’un mécanisme, sa phase de fonctionnement après écrétage dû à une usure hypothétique et enfin les zones de lubrification. Suivant le type de profil, pour un même niveau de coupe, on peut obtenir des courbes de longueur portante totalement différentes (Voir figure 47). 80%
10% C =1 µm
Pmr(c) = 10%
Pmr(c) = 80%
Figure 47 : Illustration de la courbe d'Abottt Firestone pour un même niveau de coupe c = 1 µm
Novembre 2003 4.7.4
40
GE40-082N
Passage des anciennes normes CNOMO aux normes ISO pour le taux de longueur portante • Tp(20) 50% suivant CNOMO Signifie que pour une profondeur de coupe égale à 20µm, à partir du point le plus haut du profil primaire, le taux de longueur portante doit être au moins égal à 50% • Critères CR, CF, CL suivant CNOMO
devient
deviennent
Pmr(20) 50% suivant ISO 4287
Pδc suivant ISO 4287
Exemple : " Le critères de rodage : CR 0µm ≤ 1% - 2% ≤ 1,35µm
devient
Pδc = 0 < C(2%) - C(1%) ≤ 1,35µm
" Le critère de fonctionnement : CF 1µm ≤ 2% - 80% ≤ 3µm
devient
Pδc = 1 < C(80%) - C(2%) ≤ 3µm
" Le critère de lubrification : CL 1µm ≤ 80% - 97% ≤ 2,4µm
devient
Pδc = 1 < C(97%) - C(80%) ≤ 2,4µm
Les critères CNOMO CRr, CFr, CLr n'ont pas d'équivalent direct en norme ISO. Les paramètres les plus approchants dans les normes ISO sont ceux déclinés du paramètre Rδc de la norme ISO 4287 pour différents bornages. Pour une pièce spécifiée avec les anciens critères CNOMO, il est souhaitable, pour passer aux paramètres ISO, de corréler les valeurs par des mesures.
4.7.5
Surface ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux Ces taux de longueur portante s'appliquent à des surfaces ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux. Pour un profil R de rugosité, la courbe d’Abbott Firestone est définie spécifiquement suivant trois paramètres Rpk, Rk et Rvk et deux bornages automatiques appelés Mr1 et Mr2 (ISO 13565-2). Destinés à l’origine au mesurage de la rugosité superficielle de matériaux poreux (frittés, fontes GS, etc.), ces paramètres caractérisent la courbe de longueur portante microgéométrique avec une procédure de redressement (pour éliminer les creux) utilisant 2 fois le filtre de profil λc. Une droite équivalente est calculée à partir de la zone centrale de la courbe de taux de longueur portante. Cette droite équivalente des moindres carrés doit inclure 40% de tous les points mesurés et offrir la plus faible pente possible. Le paramètre Rk représente la différence de hauteur entre l’intersection de cette droite avec l’axe 100% et celle avec l’axe 0%. Les points Mr1 et Mr2 (%) correspondent à l’intersection entre le profil en référence et les parallèles à l’axe des % définissant le paramètre Rk. Ils sont déterminés automatiquement (à l’inverse des bornages P, W ou Rmr1 et 2). Les paramètres Rpk et Rvk sont définis par la hauteur des triangles rectangles de surface équivalente aux zones des pics (base 0 à Mr1) et des creux (base Mr2 à 100%). Rpk : Hauteur des pics éliminés : Hauteur moyenne des pics saillants, situés au-dessus du profil écrêté. ! Ce critère donne des informations sur le comportement au rodage. Rk
: Profondeur du profil écrêté : Profondeur définie sur le profil de rugosité écrêté. ! Ce critère donne la profondeur efficace de rugosité après rodage.
Rvk
: Profondeur des creux éliminés : Profondeur moyenne des creux, situés au-dessous du profil écrêté. ! Ce critère donne le volume de la réserve de lubrification.
Mr1
: Taux de longueur portante minimum : Taux, en poucentage, déterminé sur la ligne de coupure qui sépare les pics saillants du profil écrêté.
Mr2
: Taux de longueur portante maximum : Taux, en poucentage, déterminé sur la ligne de coupure qui sépare les creux profonds du profil écrêté.
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0
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Mr1
Mr2
100%
40 %
Rpk Rk
Rvk
µm Droite équivalente Figure 48 : Représentation des symboles Rk, Rpk et Rvk Il convient que les paramètres Rpk et Rvk ne soient calculés que si la courbe de taux de longueur portante n’a qu’un point d’inflexion (forme en « S »). L’indication sur les plans est par exemple : Rk 2,5 Généralement, on peut placer les paramètres de taux de longueur portante en nota sous forme de tableau. Cette exploitation particulière de la courbe de longueur portante peut être appliquée au système E. Le profil pris en référence est alors la ligne enveloppe supérieure. Les paramètres prennent alors le suffixe "e" Exemple : Rpk devient Rpke
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Processus de filtrage Il est important de noter que l'exploitation des taux de longueur portante, Rpk, Rk et Rvk, est réalisée avec un filtrage particulier du profil R. En effet, pour les surfaces multi process (dites à plateaux), la ligne de référence est largement influencée par la présence des creux.
Exemple de profil R non filtré µm 5 Ligne Moyenne
2,5
0
Le profil va subir un double filtrage nécessaire au positionnement correct de la ligne moyenne.
µm 5
Profil primaire non filtré après suppression des creux
2,5
µm 5
Ligne de référence pour la mesure de rugosité
2,5
µm
Position de la ligne de référence sur le profil primaire
5
0
µm 5
Profil de rugosité 2,5
0 0
1
2
mm
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Exemple du traitement des surfaces dites "en plateau" (Frittés, fontes GS, chemises moteur...) Pièce : Portée de vilebrequin
Matière : fonte GS.
Fonction : FG.
Usinage : toilage.
Quel traitement pour ce profil ? Méthode des motifs : elle est inadaptée (voir figure 49 de décomposition du profil en motifs de rugosité). Cette méthode prend en compte les creux de profil ayant comme origine la structure du matériau (porosité) ou des creux volontairement réalisés (rayures) qui sont des réserves d’huile donc utiles pour la fonction.
A : 0,5 mm
X 15,00
B : 2,5 mm
Rugosité superficielle obtenue par toilage
X 10,00
5,00
0,00 0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
R (µm)
0,800
AR (µm)
135,00
Rx (µm)
7,730
Pt (µm)
8,520
Sr (µm)
1,001
Sar (µm)
129,00
Figure 49 : Motifs de rugosité sur la portée de vilebrequin
En conclusion, la méthode à utiliser est celle du double filtrage et les résultats sont les suivants :
Paramètres
Résultats (µm)
Rpk
0,043
Rk
0,188
Rvk
1,136
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5.
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Mesurage Les résultats doivent être formalisés dans un rapport de mesure qui précise les conditions de mesure et auxquelles est associée l'incertitude de mesure, voir l'annexe A qui donne un exemple de rapport de mesure. Le graphique peut éventuellemnt être joint à ce rapport.
5.1
Précautions Les précautions de mesurage sont les suivantes :
Dégraisser et nettoyer les surfaces à mesurer, Environnement, support et pièce non magnétiques, Ne pas mesurer les parties choquées ou rouillées, Eviter de générer des vibrations solides ou aériennes lors du mesurage. etc.
5.2
Règles générales
5.2.1
Choix de la zone et de la direction La zone et la direction de palpage, si elles ne sont pas spécifiées, doivent être : pour la zone : sur la partie de la surface sur laquelle les valeurs critiques peuvent être escomptées (choix visuel dans la zone fonctionnelle). pour la direction : dans la section correspondant aux valeurs maximales des paramètres de rugosité, X
X-X
Profil transversal
A
A
B
C
D
Profils d’orientation quelconque
B C
X
D
Figure 50 : Evolution du profil en fonction de la direction de palage La vitesse d’acquisition conseillée, pour les appareils à contact est au maximum de 0,5 mm/s.
5.2.2
Cas particulier : Principe de l'empreinte L’empreinte de surface, dite aussi "réplique de surface", est une reproduction "négative" d’une surface réelle ; c’est un palliatif utile ou indispensable lorsque le mesurage direct est difficile ou impossible. Il existe entre autres 2 procédés : l’empreinte résine (la plus utilisée), l’empreinte film. Empreinte résine L’empreinte résine est à privilégier, car le retrait lors de la polymérisation est mieux connu et maîtrisé. Attention, le profil relevé par empreinte est inversé et il faudra en tenir compte lors de l'exploitation. Certains calculateurs permettent d’inverser le profil mesuré sur l’empreinte pour restituer le profil mesuré de la surface.
Empreinte film L’empreinte film consiste en la pénétration dans la microgéométrie de la surface d’un film qui sera fixé ensuite sur une plaque rigide (verre) pour examen. Cette technique est préférable dans le cas de surfaces n’acceptant aucune déformation par échauffement.
Novembre 2003
5.3
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Paramétrage de mesure Entre les systèmes E et M, les filtrages, le découpage du profil et les calculs des paramètres sont totalement différents. Il n’y a donc pas de relation entre les paramètres de la méthode de la ligne moyenne (Système M) et les paramètres de la méthode des motifs (Système E). Il s’agit de deux approches à la fois différentes et complémentaires.
Il est prohibé de définir une relation du type R = f(Ra) Les méthodes de calcul des paramètres étant totalement différentes, la spécification est réalisée dans un seul système, ligne Moyenne ou ligne Enveloppe Pour un même couple process/matière, ces relations empiriques sont toujours entachées d’une très grande dispersion, surtout pour les faibles valeurs (200 à 300%). 5.3.1
Système E La longueur d'exploitation doit, généralement être de 16 mm. Dans le cas où cette condition ne peut pas être satisfaite, on doit prendre la plus grande longueur d'exploitation possible. Sauf spécification particulière, les conditions standards de mesurage sont :
Ln
A
B
λs
mm
mm
mm
µm
16 < Ln ≤ 80
2,5
12,5
3,2 < Ln ≤ 16 0,64 < Ln ≤ 3,2
0,5 0,1
Ln ≤ 0,64
0,02
Rayon maxi. pointe stylet µm
Intervalle maximal d’échantillonnage µm (pas de digitalisation)
25
10 +/- 2
5
2,5 0,5
8 2,5
5 +/-1 2 +/-0,5
1,5 0,5
0,1
2,5
2 +/- 0,5
0,5
Les valeurs par défaut sont en gras. Tableau 51 : Conditions standards de mesurage 5.3.2
Système M
5.3.2.1
Règles La longueur d’évaluation comprenant cinq longueurs de base (ou longueurs d’onde de coupure) consécutives est prise comme longueur normale. La longueur d’onde de coupure est choisie égale à la longueur de base spécifiée avec les exigences de rugosité de la surface de la pièce à contrôler. Quand les valeurs des longueurs de base ne sont pas spécifiées au plan ou sur d'autres documents techniques, les valeurs données dans les tableaux 52, 53, 54 ci-après doivent être utilisées pour la mesure des paramètres Ra et Rz. Cependant, pour les cas spéciaux nécessitant le choix de valeurs des longueurs de base autres que celles indiquées dans les tableaux, les longueurs de base et d’évaluation doivent être fixées.
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Tableau 52 : longueurs de base d’un profil de rugosité pour le mesurage de Ra, Rq, Rsk et pour les courbes et paramètres associés de profils non périodiques (exemple : rectifiés).
Ra µm
Longueur de base lr mm
Longueur d’évaluation ln mm
0,006 < Ra ≤ 0,02 0,02 < Ra ≤ 0,1 0,1 < Ra ≤ 2,0 2,0 < Ra ≤ 10 10 < Ra ≤ 80
0,08 0,25 0,8 2,5 8
0,4 1,25 4 12,5 40
Tableau 52 Tableau 53 : longueurs de base d’un profil de rugosité pour le mesurage de Rz, Rv, Rp, Rc et Rt de profils non périodiques (exemple : rectifiés). Rz, Rz1 max. µm 0,025 < Rz, Rz1 max. ≤ 0,10 0,10 < Rz, Rz1 max. ≤ 0,5 0,5 < Rz, Rz1 max. ≤ 10 10 < Rz, Rz1 max. ≤ 50 50 < Rz, Rz1 max. ≤ 200
Longueur de base lr mm 0,08 0,25 0,8 2,5 8
Longueur d’évaluation ln mm 0,4 1,25 4 12,5 40
Tableau 53
Tableau 54 : longueurs de base d’un profil de rugosité pour le mesurage des paramètres R de profils périodiques et RSm de profils périodiques ou non périodiques. RSm mm 0,013 < RSm ≤ 0,04 0,04 < RSm ≤ 0,13 0,13 < RSm ≤ 0,4 0,4 < RSm ≤ 1,3 1,3 < RSm ≤ 4
Longueur de base lr mm 0,08 0,25 0,8 2,5 8
Longueur d’évaluation ln mm 0,4 1,25 4 12,5 40
Tableau 54 Dans les cas d’investigation ou de mesure de paramètres (induits) non spécifiés sur le dessin, l’opérateur peut procéder : par comparaison sur échantillon viso-tactile ; l’opérateur peut ainsi approximer le paramètre souhaité et se reporter dans les tableaux ci-dessus pour trouver la longueur de base à utiliser. par une première mesure avec une grande longueur de base, pour avoir une idée de l’ordre de grandeur du paramètre recherché. La valeur alors mesurée est utilisée pour trouver dans les tableaux ci-dessus la longueur de base requise. Une nouvelle mesure est alors refaite avec la bonne longueur de base. Le rayon de la sphère de pointe de stylet doit être associé à la longueur de base. λc mm
λs µm
λc/λs
0,08 0,25 0,8 2,5 8
2,5 2,5 2,5 8 25
30 100 300 300 300
Rayon nominal max. stylet µm
2 2 2" 5' 10 '
Intervalle maximal d’échantillonnage (pas de digitalisation) µm 0,5 0,5 0,5 1,5 5
Tableau 55 : Rayon de la sphère du stylet en fonction de la longueur de base " Pour les surfaces avec Ra > 0,5 µm et Rz > 3 µm, un rayon de pointe de 5 µm peut être utilisé sans différence significative sur le résultat de mesure. ' Pour les longueurs d’onde de coupure λs de 2,5 et 8 µm, il est presque certain que l’atténuation due au filtrage mécanique d’un stylet ayant le rayon de pointe recommandé se situe en dehors de la bande de transmission définie. C’est pourquoi une petite variation du rayon ou de la forme du stylet a une influence négligeable sur les valeurs du paramètre calculé. Si d’autres rapports des longueurs de coupure s’avèrent nécessaires pour l’application envisagée, ces rapports doivent être spécifiés.
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5.3.2.2
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Influences des filtres
Filtrage mécanique (patin - stylet) Cette méthode n’est valable que pour le mesurage de la rugosité et n'est plus normalisée (Voir ISO 3274 – annexe A). La référence est la ligne définie par la trajectoire d’un stylet se déplaçant sur la pièce (système patin/stylet) : le bras support du capteur est articulé et prend appui sur la pièce par l’intermédiaire d’un patin. Le système enregistre les déplacements relatifs du stylet par rapport au patin. Il est impératif de placer le patin après le palpage, car l’effort exercé par le patin sur la surface risque d’abîmer l’état de surface de la pièce. L’avantage majeur du système patin/stylet est son moindre coût. L’ondulation ne peut être mesurée par cette méthode, car l’amplitude détectée par le stylet est fonction du pas moyen des irrégularités d’ondulation par rapport à la distance patin/pointe stylet.
Distance patin - stylet égale au pas de l’ondulation ⇒ signal de sortie filtré de l’ondulation.
Distance patin - stylet égale au ½ pas de l’ondulation ⇒ amplitude d’ondulation x 2 Figures 56 : Forme du signal de sortie en fonction de la distance patin - stylet
Filtrage électrique Les filtres électriques de type RC (Résistance - Condensateur), historiquement les plus anciens, se trouvent sur les petits appareils d’atelier. Ils permettent de calculer les paramètres statistiques les plus courants. Ils ont une tendance naturelle à introduire une déformation et un déphasage, donc une erreur dans le signal. Leur emploi tend à disparaître. Les filtres de rugosité sont des filtres électriques 2RC passe haut. Les filtres d’ondulation sont des filtres électriques 2RC passe bas.
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Exemple : un signal sinusoïdal de longueur d’onde 0,75 mm entrant dans un filtre électrique RC normalisé à λfph = 0,75 sort avec une amplitude réduite à 75% ± 5%. K = coefficient de transmission de l’amplitude des irrégularités de profil 100 90
40
m
mm
8m
0,0 8
2, 5
mm
m 0, 2 5m
50
0,0 8
60
mm
80 70
30 20
λ
10 0 0,01 0,02
0,05
0,1 0,08
0,2 0,25
0,5
1 0,8
2
2,5
5
8 10
20mm
Figure 57 : Courbes de transmissions Filtres RC Les valeurs de transmission sont normalisées dans la série suivante pour les filtres RC : 0,08 - 0,25 - 0,8 - 2,5 - 8 - 25 (mm).
250µm 2,5µm
2,5µm
Filtre λFpb=0,25 mm Filtre encore trop faible, légère rugosité restante
2,5µm
250µm
Filtre λFpb=0,8 mm Filtre correct W = 1,6 rugosité disparue
2,5µm
250µm
Filtre λFpb=2,5 mm Filtre trop grand, ondulation trop atténuée
2,5µm
250µm
Filtre λFpb=0,08 mm Filtre trop faible, rugosité restante
250µm
2,5µm
Profil sans filtrage R = 2,55µm AR = 51 W = 1,65 AW = 895
250µm
Filtre λFpb=8 mm Filtre beaucoup trop grand, pratiquement aucun signal
Figure 58 : Traitements d’un profil avec diverses valeurs de filtres électriques passe-bas : profil sans filtre puis filtrage Fpb de 0,08 - 0,25 - 0,8 - 2,5 - 8 mm.
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Filtres mathématiques Les filtres à phases correctes ou gaussiens, les plus récents, issus des technologies numériques, offrent l’avantage d’évaluer les composantes de rugosité et d’ondulation en un seul filtrage, sans introduire de déphasage. Leur utilisation tend à se généraliser et prévaut sur les filtres électriques. Chaque point du profil mesuré est pondéré par une fonction de poids de type gaussienne, définie sur une longueur égale à une longueur de base. s(x)
s(x)
x0 - λc
x
x0 + λc
x0
x
y(x) x y
y(x) x
Figure 59 : Fonction de pondération du filtre correcteur de phase.
Influence des filtres + 15 µm
+ 5 µm
+ 10 µm
+ 0 µm + 5 µm
- 5 µm + 0 µm
- 10 µm - 5 µm
- 15 µm
- 10 µm
- 20 µm
- 15 µm
- 25 µm
- 20 µm
Pt 21,79 µm R ** Rx ** Wt ** Aw *** Wx ***
Ar ** W **
Profil NON filtré Mesure sur 4,8 mm soit 6LB
R a 0 ,9 7 µ m
Filtrage électrique 2RC Suppression de 2LB au départ de la mesure
+ 10 µm + 5 µm - 0 µm - 5 µm
Filtrage mathematique gaussien
- 10 µm - 15 µm
Ra 0,71µm
Rt 20,59 µm
R t 2 7 ,8 2 µ m
Suppression d'une ½ LB à chaque extrémité de la mesure
Figure 60 : Influence des filtres sur les profils
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5.4
50
GE40-082N
Règles pour comparer les valeurs mesurées aux limites de tolérances Les paramètres mesurés doivent être comparés aux spécifications selon les règles de décision représentées dans le schéma xxx et en respectant également les deux règles ci-dessous : Règle de la valeur maximale Lorsque les exigences sont spécifiées par la valeur maximale du paramètre (suffixe max), aucune des valeurs mesurées du paramètre sur l’ensemble de la surface à contrôler ne doit dépasser la valeur spécifiée sur le dessin ou autre document technique du produit. Règle des 16% Lorsque les exigences sont spécifiées par la valeur supérieure ou inférieure du paramètre, la surface est acceptée si au maximum 16% de toutes les valeurs mesurées du paramètre considéré, obtenu sur une longueur d’évaluation dépassent la valeur spécifiée.
1 mesure
valeur ≤ 70% limite
70%
valeur > limite
2 autres mesures
2 autres mesures
0
1
dépassement
dépassement
2
0
1
2
dépassements
dépassement
dépassement
dépassements
2 autres mesures
0
1
2
dépassement
dépassement
dépassements
7 autres mesures
5 autres mesures
0 dépassement
mini 1 dépassement
0 dépassement
ACCEPTATION Figure 61 : Schématisation des règles de décision
mini 1 dépassement
REJET
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51
6.
Moyens - Caractéristiques
6.1
Les différents moyens
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Parmi les divers moyens utilisés pour l’observation et le mesurage des états de surface, il existe : les moyens visuels et tactiles, les profilomètres bidimensionnels, à contact ou sans contact, les profilomètres tridimensionnels, à contact ou sans contact.
6.1.1
Evaluation visuelle et tactile Le premier contrôle effectué est toujours un examen visuel. Malgré un faible pouvoir de résolution, l’oeil est sensible aux contrastes et de ce fait bien adapté à la vérification globale d'aspect de surface : brillance, granulométrie, rayures, direction de stries d'usinage... Cet examen peut s'avérer suffisant dans certains cas mais, sans mesure de référence, il ne permet pas de prendre de décision. L'examen visuel peut être complété par des échantillons viso-tactils. Ces échantillons ne peuvent pas servir de référence lors des mesurages.
Figure 62 : Echantillon viso-tactil- Plaquette "Rugotest".
6.1.2
Profilomètres à contact Voir ISO 3274, pour les profilomètres bidimensionnel. Ces appareils permettent d'obtenir le profil tracé. C'est à partir de ce profil que sont définis tous les autres profils. La mesure par contact se fait généralement perpendiculairement aux stries d’usinages, dans une seule direction et suivant un seul sens ("en tirant").
6.1.3
Profilomètres sans contact On remplace le stylet mécanique par un capteur optique. L’absence de contact physique avec la surface permet : la mesure de surfaces fragiles telles que : tissu, caoutchouc, verre, peinture, etc. un contrôle plus tridimensionnelle.
rapide
qu'en
profilométrie
mécanique,
notamment
en
profilométrie
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6.2
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Caractéristiques des profilomètres à contact - le stylet " - le palpeur (pick-up) ' - l'unité d'avance & - la base et la colonne ( - l'unité de calcul. La notion de stylet et de capteur utilisée dans ce document est conforme au projet de norme française XP E 05-030-1. Par rapport aux termes généralement utilisés à ce jour, ce projet de norme remplace le terme "palpeur" par "stylet" et le terme "capteur" par "palpeur". Les principaux éléments constitutifs sont :
& "
' (
Figure 63 : Schéma de principe d'un profilomètre à contact Capacité de mesure des appareils d’état de surface : Les plages d'exploration sont à titre indicatif : - horizontalement : 0,5 à 200 mm, - verticalement : 10 à 12 000 µm. Certains appareils sont capables de mesurer la forme et l’état de surface.
Le stylet : Elément fondamental du profilomètre, il se déplace sur la surface pour en relever les irrégularités. Ce stylet "aiguille" est constitué d'une pointe conique d'angle calibré (60 ou 90°) terminée par un diamant de rayon de pointe 2, 5 ou 10 µm.
Figure 64 : Pointe du stylet
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Le palpeur : Le palpeur comprend le stylet à contact et un transducteur qui transcrit analogiquement les altitudes verticales du profil relevées par le stylet. Ce palpeur peut être de différents types : Inductif : Le mouvement vertical du stylet provoque une variation de champ magnétique qui engendre une modification des champs induits. La variation de tension est proportionnelle à l’amplitude du déplacement vertical du stylet. Piézo-électrique : Le mouvement vertical du stylet fixé sur une lame piézo-électrique génère une variation de pression sur cette lame. La tension engendrée est proportionnelle à la vitesse de déplacement vertical du stylet. Opto-électronique : Le stylet est relié mécaniquement à une fente située entre une source lumineuse et des cellules photo-électriques. La variation d’intensité lumineuse générée par le déplacement de la fente est corrélée au mouvement vertical du stylet. Interférométrique : Le mouvement vertical du stylet mécanique est transformé en une différence de marche entre deux rayons issus d’une même source cohérente. L’information d’altitude est donnée par le comptage de franges sur l’interférogramme généré. L'unité d'avance : Elle permet le déplacement horizontal du palpeur dans les limites imposées par l'opérateur. Les positions de la pointe du stylet sont transmises au calculateur sous forme de coordonnées horizontales du profil. Cette unité comporte une référence interne de guidage, généralement plane et de rectitude < 0,1 µm sur 16 mm et < 0,5 µm sur 48 mm. Le palpeur est guidé suivant cette référence selon une trajectoire rectiligne théoriquement exacte (profil de référence). Par convention : Axe X
:
Axe de la direction de palpage et confondu avec la ligne moyenne.
Axe Z
:
Axe perpendiculaire à X dirigé vers l’extérieur matière.
Base et colonne : Ces deux éléments optionnels contribuent à la qualité de la mesure. La base, généralement en granit, solidarise les éléments constitutifs de la chaîne de mesure et requiert des qualités de stabilité et d'indépendance aux vibrations extérieures. La colonne offre pour des pièces de différentes dimensions un positionnement aisé du stylet et doit être suffisamment rigide pour ne pas amplifier les vibrations en haut de colonne. L'unité de calcul : Intégrée ou de type PC, cette unité reçoit et filtre les signaux analogiques du palpeur et de l'unité d'avance, les convertit numériquement et applique les divers algorithmes. Elle permet de faire divers traitements, de visualiser les profils et de piloter l'ensemble de la séquence de mesurage. Options : Table à mouvements croisés : elle permet un positionnement spatial précis des pièces sous le stylet.
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7.
Installation - Vérification du moyen de mesure
7.1
Formation spécifique La complexité (appareils de plus en plus paramétrables), la sensibilité, la fragilité et les conditions d’environnement des appareils de mesure d’état de surface impliquent une formation des opérateurs attitrés de métrologie et d’atelier.
7.2
Installation Lors de l'installation, il est nécessaire de contrôler : la conformité des éléments livrés par rapport à la commande, le bon état général de tous les éléments.
7.3
Vérification La vérification est faite dans les conditions normales d'utilisation du poste : implantation définitive du profilomètre, opérateur attitré et formé à la technique de mesurage d’états de surface, propreté de surface des pièces (poussières, liquides, chocs, oxydation, etc.) pièces et environnement non magnétiques, matière conforme (type et dureté), activité environnementale du poste représentative : vérification durant les heures d'ouverture, process de fabrication en activité et stabilisé (conditions de coupe), température ambiante suivant préconisation fournisseur. Elle peut se dérouler en deux temps :
- une vérification géométrique des éléments, - une vérification de la cohérence des résultats de mesure.
7.3.1
Vérification géométrique
7.3.1.1
Stylet L'élément à vérifier sur un stylet est sa pointe. La forme idéale de cette dernière est un cône dont le sommet est sphérique. Les paramètres de base sont, suivant la norme ISO 3274 : rayons de courbure de la pointe du stylet : 2 ± 0,5 ou 5 ± 1 ou 10 ± 2 µm, +10
+5
angles de la pointe du stylet : 60°−5 ou 90°−10 , mais les tolérances du rayon et des angles ne sont pas spécifiées dans ISO, elles sont issues de la capitalisation. Sauf spécification contraire, l'angle de cône de 60° et un rayon de courbure de la pointe du stylet de 2 µm s'appliquent pour les appareils idéaux.
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Vérification du rayon de courbure de la pointe La vérification se fait si possible par microscopie électronique à balayage (MEB) qui permet : de s'affranchir de la chaîne de mesure du profilomètre mécanique, d'obtenir un grossissement satisfaisant pour évaluer le rayon de la pointe. L'examen permet de détecter également les irrégularités de forme du rayon de courbure (défaut de sphéricité, ébréchures ou particules collées...) voir figure 65.
Figure 65 : Pointe de stylet ébréchée Exemple de procédure de vérification par microscope électronique à balayage Dégraisser à l'acétone le stylet à contrôler. Placer le stylet dans la chambre du microscope pointe vers le haut pour une vérification de l'état de la pointe puis de coté pour le contrôle géométrique. Choisir un grossissement approprié. R de la pointe (en µm) Grossissement 2 5000 x 5 2000 x 10 1000 x Tableau 66 : Grossissement pratique conseillé Ce grossissement est donné, à titre indicatif, pour le contrôle géométrique de la pointe uniquement. Imprimer une photographie de la pointe. Evaluer une corde et la flèche associée sur la photographie. Deux méthodes sont possibles :
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Méthode 1
Méthode 2
La valeur du rayon peut être évaluée à l'aide d'une épure (sur profil non anamorphosé). Pour cela, tracer sur transparent, à l'échelle de la photographie ou du graphique, une épure comportant deux cercles concentriques de rayon min. et max. théorique.
f=2,8mm C = 19,7 mm
Superposer le transparent à la photographie ou au graphique et vérifier que le profil réel s'inscrit entre les limites théoriques.
Palpeur Palpeur
r
tip
mini
r
tip maxi
Angle
Grossissement : 2900x
Evaluer le rayon en utilisant des formules suivantes : C=
19 700 2 900
f=
2 800 2 900
R=
C2 8f
= 6,793 µm = 0,965 µm
+
f 2
soit
= 6,46 µm
Vérification de l'angle de pointe du stylet Cette vérification se fait avec un rapporteur d'angle sur la photographie réalisée pour vérification du rayon. On peut aussi utiliser un projecteur de profil.
Bras porte stylet On s'assure de l'absence de jeux : à l'articulation : cas de bras sur pivots, à la fixation du bras : cas des bras ou rallonges interchangeables, à la touche de mesure : cas des touches interchangeables (touche insuffisamment serrée).
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7.3.1.2
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Palpeur : Vérification de la force de mesure statique Le palpeur (ou pick-up) est le composant de l'appareil qui contient le stylet et le transducteur. La caractéristique à contrôler est la valeur de la force de mesure statique exercée par la pointe du stylet lorsqu'elle repose sur la surface d'une pièce dans sa position moyenne (voir ISO 3274). La norme ISO 3274 spécifie une valeur de la force de mesure statique de 0,00075N, ce qui est presque irréalisable. Les valeurs maximales actuellement utilisées sont : Rayon de pointe 2µm : 0,005 N (0,5 g) Rayon de pointe 5µm
:
0,010 N (1 g)
Rayon de pointe 10µm :
0,016 N (1 g)
Exemple de procédure de vérification Pour cette vérification, on utilise une balance (voir Figure 67). Faire le zéro de la balance, Mettre en appui le stylet sur le plateau de la balance, Régler la dynamique stylet à mi-échelle, Relever la valeur affichée sur la balance.
Figure 67 : Montage pour la vérification de la force de la pointe du palpeur
7.3.1.3
Chaîne de mesure Il faut vérifier le bon isolement vibratoire de la chaîne de mesure en s'assurant que les vibrations parasites captées lors d'un palpage ne dépassent pas un seuil critique en rapport avec la valeur recherchée. Tolérance : Amplitude :
sans déplacement de la tête d'avance : ≤ 0,1 µm avec déplacement tête d'avance :
≤ 0,2 µm
Note : valider la valeur des vibrations après ajustage en environnement le plus défavorable. La mesure est à effectuer après vérification des étages d'amplification dans les conditions d'utilisation les plus défavorables rencontrées pendant la période d'analyse. Des vibrations ("bruit de fond" à l'enregistrement) au niveau du captage peuvent avoir pour cause : une mauvaise isolation de l'appareillage en regard des vibrations ambiantes (solides et aériennes), un manque de rigidité de la table support, une masse insuffisante du socle, des vibrations dues au calculateur, en particulier à l'équilibrage de son ventilateur (le calculateur doit donc être posé sur une table séparée du profilomètre), Un mauvais isolement électrique de la chaîne de mesurage qui peut également produire un "bruit de fond".
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Voix opérateur
Marcheur Porte à 5 m
0,1 µm
Crayon laché de 10 cm de hauteur
Discussion à 2 mètres
Coup sur marbre
Tapotement de doigt sur le marbre
Figure 68 : Exemple de relevé (Palpeur inductif - Laboratoire de métrologie) : On notera la sensibilité à la parole et aux chocs directs sur le marbre de mesure. Exemple de procédure de vérification Le profilomètre doit être placé dans son environnement normal d'utilisation. La vérification doit être répétée à plusieurs moments de la journée pour intégrer tous les changements environnementaux possibles (mise en route de machines, passage de véhicules, etc.). Le bras porte stylet est "sorti" au maximum et, si cela est possible, on fait deux vérifications : • palpeur parallèle à la direction du palpage • palpeur perpendiculaire à cette même direction. ♦ Pour les appareils équipés d'un enregistreur permettant le défilement du papier tout en gardant le stylet de mesure immobile, la vérification se fait par palpage touche en appui sur un plan incliné à 25° (verre plan). Palpeur Touche 130° Verre plan
25°
Figure 69 : Exemple de vérification par verre plan L'angle de 130° correspondant à la "limite minimale" des sillons élaborés par usinages courants. ♦ Pour les appareils dont le défilement de l'enregistreur ne peut être dissocié de l'avance du stylet, la vérification se fait par palpage d'un plan étalon horizontal (plan optique).
Figure 70 : Photo d'un étalon horizontal (Plan optique)
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Exemples d’enregistrements pour vérification des vibrations de la chaîne de mesure : Palpages sur un verre plan. Exemple 1 : Stylet immobile, enregistreur défilant. 0,5 µm
xp
Plan dégauchi horizontalement
0,5 µm
xp
yp
Plan incliné à 25° 0,55µm inacceptable
Les vibrations de basses fréquences n'ont pas évolué en étendue, mais la composante Z / X est plus mise en valeur.
Exemple 2 : Stylet défilant sur un plan optique 250 µm 0,5 µm
xp
Plan dégauchi horizontalement
yp
Vitesse de palpage : 0,2 mm/sec
Les vibrations de hautes fréquences sont un peu moins amplifiées que sur l'enregistrement de la figure .
7.3.1.4
Ajustage Ajuster le profilomètre en suivant la procédure préconisée par le fournisseur. Pour la vérification de l’ajustage, faire la moyenne de 5 mesures. La tolérance d’ajustage (ISO 5436- version 1985) est de : ± 2 % (profondeur 10 µm) ± 3 % (profondeur <10 µm) Si l'ajustage est non conforme, arrêter la procédure de réception et demander l'intervention du fournisseur.
7.3.1.5
Rectitude du déplacement de l'unité d'avance Il s'agit de vérifier la rectitude du déplacement de la tête de mesure sur toute sa course. Moyen :
Verre plan de planéité connue et raccordée (λ/10).
Méthode : Dégauchir le déplacement de la tête de mesure parallèlement à la face référence du plan. Programmer une vitesse de déplacement de 0,5 mm/s maximum. Effectuer en une fois un palpage sur la course totale de la tête de mesure. Imprimer un profil total, avec une échelle d'amplification verticale adaptée. Analyser le graphique (principe de la rectitude). Tolérance : Valeur maximale de rectitude : 0,1 µm pour 16 mm et 0,5 µm pour 48 mm.
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7.3.1.6
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Justesse du déplacement Amplification verticale : voir ISO 12179, Etalonnage de la composante verticale du profil. Amplification horizontale : voir ISO 12179, Etalonnage de la composante horizontale du profil.
Il s'agit de vérifier la justesse de déplacement de la tête de mesure sur plusieurs longueurs. Cette justesse est vérifiée seulement pour les appareils dont les résultats dépendent de la synchronisation entre la vitesse du stylet et la vitesse de déroulement du papier.
Exemple de procédure de vérification Pour cette vérification, on utilise un comparateur de grande course (min. 16 mm). Mettre le comparateur dans un support fixe. Mettre en contact la touche du comparateur sur la tête de l'unité d'avance. Aligner l'axe du comparateur avec celui de l'unité d'avance. Déplacer la tête de 1 mm (rattrapage de jeu), initialiser le comparateur, sélectionner une course et déclencher une mesure. Comparer la distance parcourue par rapport à la distance sélectionnée, elle doit être ≥ à la distance sélectionnée avec la précourse et la postcourse éventuelles. Recommencer sur plusieurs longueurs : 0,64 - 3,2 - 16 - 80 mm.
Tolérance :
1% (appareils de métrologie) 3 % (autres appareils)
7.3.2
Vérification de la cohérence des résultats de mesure Il n’existe pas aujourd’hui de Capabilité de Moyen de Contrôle (CMC) type pour les moyens d’état de surface. Il est cependant possible d’effectuer des intercomparaisons et des répétabilités sur des pièces ou des étalons raccordés dont la valeur des paramètres d’état de surface est connue et représentative des processus ou produits.
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7.4
Raccordement - Ajustage du moyen de mesure
7.4.1
Raccordement
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Tout processus de mesure devant être maîtrisé, l'une des composantes de cette maîtrise consiste en la confirmation métrologique du moyen de mesure. La chaîne d'étalonnage permet, dans un domaine de mesure, de raccorder par une succession d'étalons tout moyen de mesure aux étalons nationaux (traçabilité). CHAINE DE METROLOGIE NATIONALE
Laboratoire primaire
Entreprise
Etalon de référence
Etalon de référence
Etalon de Travail
Equipement de mesure
Equipement de mesure
Equipement de mesure Figure 71 : Schématisation des raccordements Les 3 types de raccordement pouvant être réalisés dans l’entreprise sont : Etalons de référence Etalons de Travail Etalons de mesure Les moyens en usine sont raccordés par l’intermédiaire des étalons de travail des centres d’étalonnage locaux, aux étalons de référence des centres d’étalonnage centraux qui eux sont raccordés aux étalons nationaux.
Il n'est pas admis qu'un moyen servant à prendre une décision ne soit pas raccordé
7.4.2
Vérification, ajustage
7.4.2.1
Les différents type d'étalons de vérification La vérification permet de s’assurer que les écarts entre les valeurs indiquées par un appareil de mesure et les valeurs connues correspondantes de la grandeur mesurée sont tous inférieurs aux erreurs maximales tolérées, définies dans une norme, par une réglementation ou une prescription propre à l’utilisateur. Il est possible d’utiliser pour la vérification soit une pièce avec une ou des valeurs références intégrées à la chaîne d’étalonnage soit un étalon normalisé. Il existe 5 types d’étalons de mesure : A, B, C, D et E.
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Etalons de profondeur, type A : Ils servent à étalonner la composante verticale du profil des instruments à stylet.
Ils peuvent être déclinés en 2 types A1, rainures à fond plat, ou A2, rainures à fond arrondi.
Etalon type A1
Etalon type A2
Etalons de pointe de stylet, type B : Ils servent essentiellement à vérifier l’état de la pointe du stylet.
Ils peuvent être déclinés en 2 types B1, rainures étroites, ou B2, deux grilles de rainure établies sur une base commune (1 grille sensible à rainures triangulaires, 1 grille non sensible à rainures sinusoïdales ou en arc de cercle).
Etalon type B2 (grille sensible)
Etalon type B2 (grille non sensible)
Etalons de longueur d’onde, type C : Ils servent à la vérification des mesureurs de paramètres ou au grossissement horizontal. Ils présentent une grille de rainures répétitives de forme simple à proportion en harmonique relativement faible. Ils peuvent être déclinés en 4 types C1, rainures à profils sinusoïdaux, C2, rainures à profils en triangle isocèle étroites, C3, rainures sinusoïdales simulées ou C4, rainures à profil en arc de cercle. Leurs profils sont sensiblement les mêmes que ceux du type B mais avec des profondeurs, pas et angles différents. Etalon de rugosité, type D : Il s’agit d’un profil de rectification irrégulier se répétant tous les 4 mm. ce qui correspond au
profil Etalon de coordonnées de profil, type E : Ces étalons sont basés sur une sphère de rayon connu ou un prisme d’angle connu. Ils sont principalement destinés à l’étalonnage du système de cordonnées du profil des instruments à grand débattement.
Tableau 72 : Types d'étalon de mesure
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7.4.2.2
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Ajustage L'ajustage est l'opération destinée à amener le moyen à un état de fonctionnement convenant à son utilisation. Il peut être réalisé de façon systématique ou lorsqu'un vérification met en évidence une dérive par rapport à l'Erreur Maximale Tolérée (EMT). Dans le cas où la vérification nécessite un ajustage de l’appareil, il faut recaler le moyen avec un étalon (rainure ou sphère) généralement fourni avec l’appareil. Le recalage nécessaire à la dérive se fait avec un étalon (Rainure ou sphère) L'opération d’ajustage doit être confirmé par 5 mesures sur l’étalon.
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8.
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Causes d'incertitude Les incertitudes sont exprimées dans l'unité du paramètres Estimer correctement l’incertitude de mesure, est une nécessité absolue pour les utilisateurs. En effet, la connaissance de ce paramètre permet de donner une information qualitative des résultats fournis à nos clients. Pendant longtemps, nous avons considéré que seul l’appareil de mesure était responsable de la variabilité des résultats mais grâce à l’expérience et aux nombres essais que nous avons pu mener, nous sommes en mesure de dire aujourd’hui que la variabilité dépend d’un certains nombre de facteurs qui constitue un processus de mesure. Ce processus peut être schématisé de la manière suivante : PROCEDURE
ENVIRONNEMENT
OBJET MESURE
SPECIFICATION
PROCESSUS DE MESURE OPERATEUR
RACCORDEMENT
APPAREIL
Figure 73 : Schématisation des composantes du processus de mesure Il n’existe pas de formule universelle qui nous permette de quantifier l’incertitude de mesure. c’est par l’analyse technique à partir des 7 grandes familles qui composent le processus que nous sommes en mesure de quantifier au mieux la variabilité des résultats.
Voici quelques exemples de sources de variabilité pouvant être prises en compte lors de l’estimation de l’incertitude : • • • •
homogénéité de la surface raccordement opérateur appareil.
Homogénéité de la surface Comment peut on qualifier une surface à partir d’un segment de droite ? L’homogénéité de la surface donne une information sur la qualité de l’objet mesuré. Pour mesurer son influence, il faut faire l’acquisition de plusieurs profils répartis sur toute la surface. A partir des mesures d’écart types sur les différents paramètres, nous pouvons quantifier l’incertitude type liée à l’homogénéité de la surface mesurée. Raccordement Les différents étalons que nous avons à notre disposition, nous permettent de raccorder nos processus de mesure aux étalons nationaux. A partir des certificats d’étalonnage des différents étalons, nous pouvons prendre en compte l’incertitude élargie (U) pour les paramètres considérés (Ne pas oublier de ramener à un écart type U=k.uc=> uc=U/k avec k : Facteur d’élargissement = 2 et uc : incertitude type composée). Opérateur Toutes les personnes, qui effectuent des mesurages, ne possèdent pas toutes la même expérience. Par conséquent un essai, regroupant des personnes d’expériences différentes, réalisé sur une même machine avec la même caractéristique mesurée sur la même pièce, nous permet de quantifier ce phénomène. En calculant l’écart type sur les résultats de tous les opérateurs, nous sommes en mesure de donner l’incertitude type liée à l’opérateur.
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Appareil Les appareils utilisés présentent des caractéristiques qui leur sont propres et il faut en tenir compte. Une première étape consiste à vérifier la répétabilité de l’appareil que nous utilisons pour cela il suffit de relever plusieurs profils sur une même zone d’un étalon et de calculer l’écart type correspondant. Il faut également prendre en compte la résolution de l’appareil. L’incertitude type liée à la résolution de l’appareil est obtenue en multipliant le pas de quantification (résolution appareil) par une loi de distribution. Dans le cas ou plusieurs logiciels de calculs peuvent être utilisés, un double traitement des profils permet de quantifier l’incertitude type liée au logiciel de calculs. Au final, l’incertitude type composée est obenue en faisant la somme quadratique des différentes composantes précitées.
Incertitude élargie L’incertitude élargie, quant à elle, est obtenue en multipliant l’incertitude type composée par un facteur d’élargissement.
L’incertitude est utile à double titre car : • elle permet aux métrologues de maîtriser leurs processus de mesure
• elle permet aux clients de connaître le niveau de confiance à accorder aux résultats
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9.
Mesurage tridimensionnel
9.1
Utilité
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Le mesurage tridimensionnel permet de visualiser une zone d’une surface quelconque en englobant notamment certains défauts susceptibles « d’altérer » un profil, expliquant ainsi une mauvaise répétabilité de mesurage par exemple. Il permet d’apprécier le degré d’isotropie (= homogénéité) d’une surface, d’en définir la politique de contrôle bi ou tridimensionnelle, de découvrir des défauts difficilement repérables en 2D (rayures dans le sens de palpage, porosités, marquages divers...). En outre la visualisation par traitement d’image d’une surface est très pédagogique, notamment pour des personnes peu familiarisées avec la mesure.
9.2
Technologie Le mesurage tridimensionnel (X, Y, Z) d’une surface peut être effectué de deux manières : 1. enregistrer successivement des profils 2D parallèles espacés d’un incrément selon une ligne de base perpendiculaire à celle des profils acquis. 2.
Mesurage par contact La mesure s’effectue à l’aide d’un profilomètre mécanique comportant un axe supplémentaire motorisé perpendiculaire à l’axe mesurant. Le stylet à pointe diamant relève selon un « axe principal » p profils parallèles, régulièrement espacés selon un axe orthogonal au premier et appelé « axe complémentaire ».
Ax ec om pl ém en tai re Li gn ed eb as e
Un profil est mesuré suivant l’axe complémentaire et définit la ligne de base comportant les origines des p profils parallèles.
In cr ém en t
9.2.1
balayer verticalement (z) la surface en empilant des plans images parallèles.
Précourse
Retour capteur Relève capteur
Axe de mesure
Figure 74 : Schématisation de la mesure 3D par contact Le temps de mesure, proportionnel à la surface à explorer, au pas d’acquisition demandé et à la vitesse de palpage (Généralement entre 0,3 et 1 mm/s), peut être très long (plusieurs heures). La taille du fichier peut être conséquente et limiter les ambitions. La résolution verticale est liée au palpeur utilisé, généralement de l’ordre de 5 à 10nm.
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9.2.2
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Mesurage sans contact L’absence de contact avec la surface permet d’accroître considérablement la vitesse d’acquisition des points de mesure. Il existe plusieurs méthodes d'acquisition, les plus courantes, aujourd'hui sont : - le palpeur est fixe et la surface est balayée en XY (ex : profilométrie par triangulation), - la surface est fixe et le palpeur se déplace en Z (ex : microscopie interférentielle). Les principaux types d'appareils sont : • Profilométrie par triangulation Un faisceau laser est émis sur la surface et une partie de la lumière rétro-diffusée par la surface est focalisée sur un détecteur de position incliné par rapport à la source. Diode laser
PSD
B Optique
A Optique
A
δ
z
B
Figure 75 : Schématisation de la profilomètrie par triangulation Une différence de marche δz sur la surface induit un déplacement du spot sur le détecteur. • Microscopie interférentielle La base est un microscope optique couplé à des objectifs interféromètriques. L’empilage en Z des interférogrammes permet de reconstituer la surface tridimensionnelle. Source
Lentille
Lentille Caméra CCD
Lame séparatrice
Miroir référence
Objectif interférentiel
Séparateur Surface
Figure 76 : Schématisation de la microscopie interférentielle Le champ observable, lié à la puissance des objectifs, est au mieux de 50 mm². L’acquisition, indépendante de la surface à mesurer, est très rapide, de l’ordre de 10s. La résolution verticale est inférieure à 1 nm.
Novembre 2003 9.2.3
Exemple de résultats de mesurage 3D
9.3
Avantages / inconvénients
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L’avantage majeur d’une mesure 3D est de pouvoir visualiser une surface mesurée tout en pouvant extraire des profils 2D d’une zone critique pour les traiter selon les normes en vigueur. Les différents logiciels de traitement associés à ces appareils permettent d’extraire de nombreuses informations de la surface mesurée, impossible à obtenir en profilométrie 2D. Citons par exemple : histogrammes de porosités, pics, vallées, calcul de volumes, surfaces, analyse spectrale (direction de stries), comparaison de surfaces ... Actuellement, l’absence de normes 3D ne permet pas de comparer plusieurs appareils de même technologie ou de technologies différentes (mécanique/optique/laser) et de calculer le degré de confiance de ces appareils. Les appareils de mesurage 3D restent des appareils d'expertise du fait de l’absence de normes, de la complexité de l’analyse et des traitements d’image, etc. Note : Des travaux internationaux de normalisation sont en cours.
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10.
Normalisation
10.1
Matrice GPS
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Le concept GPS (ISO/TR 14638), ou Spécification Géométrique des Produits, formalise les besoins de normes sous la forme d’une matrice dont les lignes concernent les différentes caractéristiques à spécifier et les colonnes (ou maillons) des vues particulières sur ces mêmes caractéristiques. Cette matrice permet de visualiser pour chaque caractéristique dimensionnelle et géométrique, les normes ISO existantes. L'environnement normatif des états de surface est décrit dans la matrice ou GPS de l'ISO (ISO/TR 14638). Normes ISO GPS générales Maillon n° Caractéristique géométrique de
1 Indication dans la documentation du produit Codification
2 Définition des tolérances Définitions théoriques et valeurs
3 Définitions des caractéristiqu es ou paramètres de l'élément extrait
4 Evaluation des écarts Comparaison avec les limites de la tolérance
5 Exigences pour l'équipement de mesure
6 Exigences d'étalonnage Etalons d'étalonnage
Système M – Ra, Rz
1302
4288, 11562
2632-1 et 2, 4288
1302
4288, 11562
4288
1878, 1880, 2632-1 et 2, 3274, 11562 3274, 11562
2632-1 et 2, 5436, 12179
Système M – S, Sm, Tp Méthodes des motifs – R, Rx, AR Rk, Rpk, Rvk, Rm1k, Rm2k Rpq, Rqv, Rmq
468, 4287-1, 4287-2, 11562 468, 4287-1, 11562 12085
12085
4288, 12085
3274
5436, 12179
11562, 13565-1 et 2 11562, 13565-1 et 3
11562, 13656-2 11562, 13656-2
4288
1880, 3274, 11562 1880, 3274, 11562
5436, 12179
Caractéristiques de surface Système M – Wa, Wz, … Méthodes des motifs – W, AW, Wx, Wte Système M – Pa, Pt…
1302 4287-1, 11562 12085
11562
4288, 12085
5436, 12179
12085
1880, 3274, 11562 3274
4288
3274, 11562
8785
4287-1, 11562 8785
13715
13715
Sous caractéristiques géométriques de l'élément ou paramètre
Taille Distance Rayon Angle Forme d’une ligne indépendante d’une référence Forme d’une ligne dépendante d’une référence Forme d’une surface indépendante d’une référence Forme d’une surface dépendante d’une référence Orientation Position Battement circulaire Battement total Références Etat de surfac e
Profil de rugosité
Profil d’ondulati on
Profil primaire Défauts de surface
Arêtes
1302 1302 1302
1302 1302
1302
4288
5436, 12179
5436, 12179
5436, 12179
Tableau 77 : Matrice GPS pour les états de surface (extrait de ISO/TR 14638 de 1996 Ainsi, la description des "Indications dans la documentation" (maillon n°1) pour une caractéristique géométrique de l’élément « Profil primaire » (n°16) est donnée par la ou les norme(s) à l’intersection de la colonne maillon n°1 et de la ligne n°16. !Dans ce cas, c’est la norme "ISO 1302" qui est référence.
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10.2
70
GE40-082N
Normes états de surface et normes générales ISO 254 Titre
Transmission par courroies - Poulies - Qualité, état de surface et équilibrage
ISO 1302 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Indication des états de surface dans la documentation technique de produits ISO 3274 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Caractéristiques nominales des appareils à contact (palpeur) ISO 4287 Titre Spécification géométriques des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Termes, définitions et paramètres d'état de surface ISO 4288 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Règles et procédures pour l'évaluation de l'état de surface ISO 5436-1 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil; Etalons - Partie 1: Mesures matérialisées ISO 5436-2 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil; Etalons - Partie 2: Etalons logiciels ISO 8785 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Imperfections de surface - Termes, définitions et paramètres ISO 11562 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Caractéristiques métrologique des filtres à phase correcte ISO 11971 Titre Examen visuel de l'état de surface des pièces moulées en acier ISO 12085 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Paramètres liés aux motifs ISO 12179 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil - Etalonnage des instruments à contact (palpeur) ISO 13565-1 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil; surfaces ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux - Partie 1: Filtrage et conditions générales de mesurage ISO 13565-2 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil; surfaces ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux - Partie 2: Caractérisation des hauteurs par la courbe de taux de longueur portante ISO 13565-3 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Etat de surface: Méthode du profil; surfaces ayant des propriétés fonctionnelles différentes suivant les niveaux - Partie 3: Caractérisation des hauteurs par la courbe de probabilité de matière La norme ISO 13565-3 apporte de nouveaux paramètres statistiques mais dont les relations avec une fonction ne sont pas capitalisées. ISO 14253-1 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Vérification par la mesure des pièces et des équipements de mesure - Partie 1: Règles de décision pour prouver la conformité ou la non-conformité à la spécification
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GE40-082N
ISO/TR 14638 Titre Spécification géométrique des produits (GPS) - Schéma directeur Mesure de la rugosité moyenne Ra et du nombre d'irrégularités RPc sur les produits plats métalliques états de surface stochastiques. PR EN 10049 (Projet) Titre Mesure de la rugosité moyenne Ra et du nombre d'irrégularités RPc sur les produits plats métalliques états de surface stochastiques. E05-017 Titre Etat de surface des produits - Prescriptions. 30 détermination des surfaces mesurées. PR XP E05-030-1 (Projet) Titre Etat de surface des produits – Surfacique. Partie 1 : Terminologie. NF E05-051 Titre Etat de surface des produits. Moyens de mesure. Echantillons de comparaison viso-tactile NF E05-059-1 Titre
Spécification géométrique des produits (GPS). Essais de réception et de vérification périodique des instruments de mesure de profil.Partie 1 : instruments de mesure des états de surface à contact.
NF E22-620 Titre Assemblages frettés. Dimensions, tolérances et états de surface pour assemblages usuels.
11.
Répertoire alphabétique 16% -------------------------------------------50 3D ---------------------------------------------66 Abbott Firestone --------------------------38, 39 Acquisition ----------------------------------22, 37, 50 Ajustage ------------------------------------59, 61, 63 Anamorphose ------------------------------8, Angle (de stylet) ---------------------------55, 56 AR --------------------------------------------26 Arrachement -------------------------------10, 11 AW -------------------------------------------28 Axes (X et Z) -------------------------------52 Base (statif) --------------------------------53 Bornage (R/W) : ---------------------------40 Capacité (de mesure) -------------------52 Capteur --------------------------------------52 Caractéristiques (d’un profilomètre) --51 Chaîne (d’étalonnage) -------------------61 Chaîne (de mesure) ----------------------57 Colonne -------------------------------------53 Combinaison des motifs ----------------24, 25 Correspondances -------------------------35 Coupe (niveau de) ------------------------39 Coûts ----------------------------------------7 CR, CF, CL, CRR, CFR, CLR ------------40 Creux (du profil) ---------------------------19 Défauts de surface ------------------------7 Disposition des spécifications ---------14, 15, 18 Décision (Règles) -------------------------50 E (Système)---------------------------------24, 45 Ecart de forme -----------------------------10, 11 Echantillonnage ---------------------------44, 46 Echelle --------------------------------------8, 9 Empreinte -----------------------------------44 Etalon ----------------------------------------61, 62 Etat de surface (définition) -------------4 Evaluation (manuelle) -------------------24
Film -------------------------------------------- 44 Filtres, filtrage ------------------------------- 22, 42, 47, 49 Fonctionnalité des surfaces ------------- 6, 29 Force (de mesure) ------------------------- 57 Formation ------------------------------------ 54 GPS (matrice) : ----------------------------- 69 Graphique : ---------------------------------- 44 Hauteur (de saillie) : ---------------------- 23, 37, 38 Hauteur de coupe -------------------------- 39 Historique------------------------------------- 5, 12 Imperfection de surface ------------------ 7 Incertitude de mesurage ----------------- 64, 65 Indication sur dessin ---------------------- 14, 30 Influence (filtrage) ------------------------- 47, 49 Installation ----------------------------------- 54 Interférométrique (palpeur) -------------- 53 Intervalle de tolérance (relation avec) 18 Isolation ------------------------------------- 58 Justesse -------------------------------------- 60 Lambda (filtres) : --------------------------- 22, 47 Ligne enveloppe supérieure : ----------- 26 Ligne moyenne ----------------------------- 5, 36 Longueur d’évaluation -------------------- 20 Longueur de base ------------------------- 36 M (Système) -------------------------------- 36, 45 Marques (matériels) ----------------------- 35 Mesurage ------------------------------------ 44 Moindres carrés ---------------------------- 21, 36, 40 Motif ------------------------------------------- 19, 20, 24, 27 Moyens d’obtention (usinage) ---------- 17 Mr (bornage) -------------------------------- 40 Normes --------------------------------------- 69 Ondulation ----------------------------------- 10, 11 Opérateur------------------------------------- 64 Optoélectronique -------------------------- 53 Ordre ----------------------------------------- 10, 11
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Palpeur --------------------------------------52, 53 Paramètrage (mesure) ------------------45 Paramètres ---------------------------------14, 19, 23, 38, 40 Patin -----------------------------------------47 Pdc, ------------------------------------------39 Pmr -------------------------------------------29, 35, 39, 40 Précautions (de mesurage) ------------44 Profil -----------------------------------------7, Profil d’ondulation ------------------------28, 29, 36 Profil de rugosité --------------------------26, 29, 38, 42 Profil primaire ------------------------------21 Profil référence-----------------------------21 Profil total -----------------------------------7, 21, 29 Profil tracé ----------------------------------21, Profilomètres -------------------------------51, 52, 66 Profondeur (d’un creux) -----------------23 PSm-------------------------------------------23 Pt ---------------------------------------------23 R ----------------------------------------------26 Ra --------------------------------------------38, 45, 46 Raccordement -----------------------------61, 64 Racine ---------------------------------------14 Rapport (de mesure) ---------------------44, 74, annexe Rayon du stylet ----------------------------46, 55, 56 Réception -----------------------------------54, 55, … Rectitude ------------------------------------59 Règles (de mesurage) -------------------44 Rmr -------------------------------------------35, 39 Rpk, Rk, Rvk -------------------------------40 Rpke, Rke, Rvke --------------------------41 RSm ------------------------------------------38, 45 Rt ---------------------------------------------37 Rugosité ------------------------------------10, 11, 26 Rx ---------------------------------------------26 Rz ---------------------------------------------38, 45
12.
GE40-082N
Saillie (du profil) ---------------------------- 19 Spécification -------------------------------- 7 Stries ------------------------------------------ 7, 16 Symbole graphique ----------------------- 14, 15 Taux de longueur portante -------------- 38, Traitement ----------------------------------- 22, 37, 48 Transmission (filtres) --------------------- 48 Triangles ------------------------------------- 5, 12 Tridimensionnel ---------------------------- 66 Typologie surface -------------------------- 7 Unité d’avance ----------------------------- 53 Unité de calcul ------------------------------ 52, 53 Unités ----------------------------------------- 17 Usinage (Procédé) ------------------------ 17 Valeurs --------------------------------------- 17, 18 Vérification ---------------------------------- 54, 58, 60, 61 Vérification (géométrique) --------------- 54 Vibrations ------------------------------------ 58 Viso-tactiles (échantillons) -------------- 51 Vitesse (de déplacement) --------------- 44, 59, 66 W ---------------------------------------------- 28 Wte -------------------------------------------- 28 Wx --------------------------------------------- 28
Liste des documents de référence NOTE : Pour les documents non datés, la dernière version en vigueur s’applique.
Documents cités Normes citées dans le paragraphe 10.2
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GE40-082N
Annexe A : Exemple de rapport de mesure Destinataires
Direction de Métrologie de * + , Date
Copie :
RAPPORT DE MESURE N° xxx/2003 Demande de mesure Demandeur : xxx
Service : xxx
Tèl : xxx
Désignation pièce Désignation : Vilebrequin
N° Pièce :xx
Véhicule : xxx
Organe : Moteur xx
Fournisseur
Objet de la demande Mesures de paramètres d'Etats de surface sur les joues en radial et en tangentiel .
Moyen(s) de contrôle utilisé (s) Machine :
Rank Taylor Hobson S5
vérifiée le :
19/11/2002
Logiciel :
µltra K510/1038-02 Issue 6
Autre :
Moutains vers. 3.1.4
Constat de vérification n° 054 / 2002 / D
Condition de mesure : température 20°C ± 1°C
Commentaires
Nom Prénom
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GE40-082N Direction de Métrologie de
RAPPORT DE CONTROLE
2/2
N° xxx/2003 Principe : L’acquisition du profil primaire est effectuée par une pointe de stylet se déplaçant selon une référence de guidage. Ce profil est transmis au logiciel et traité. Les paramètres sont calculés : - par rapport à la ligne moyenne dans le système M (ISO 4287), - par rapport à la ligne enveloppe dans le système E (ISO 12085). les incertitudes élargies mentionnées sont celles correspondant à deux incertitudes types. Les incertitudes types ont été calculées en tenant compte des différentes composantes incertitudes répétabilité, homogénéité de la surface, résolution de l'appareil, algorithme de calculs Méthode de détermination des incertitudes liées à l'homogénéité de la surface et celle liée à la répétabilité du processus Mesure de 4 profils espacés sur la pièce
⇓
incertitude type liée à l’homogénéité de la surface
Mesure de 5 profils au centre de la pièce
⇓
incertitude type liée à répétabilité du processus de mesure
R
W
Wte
Rke
Rpke
Rvke
Wa
µm
µm
µm
µm
µm
µm
µm
0,550
0,218
0,649
0,233
0,021
0,283
0,142
0,128
1,702
0,062
0,064
0,514
0,259
1,195
0,257
incertitude élargie
0,073
0,057
0,495
Côté-volant_TANGENTIEL
0,379
0,121
incertitude élargie
0,127
Côté-pignon_TANGENTIEL incertitude élargie
Côté-volant_RADIAL incertitude élargie Côté-pignon_RADIAL
Rk
Wt
Rpk
Rvk
µm
µm
µm
µm
0,051
0,245
0,065
0,340
0,319
0,077
0,064
0,045
0,028
0,063
0,381
0,034
0,272
0,087
0,257
0,057
0,287
0,608
0,051
0,064
0,053
0,064
0,028
0,028
0,028
0,342
0,278
0,154
0,045
0,224
0,026
0,154
0,057
0,229
0,206
0,057
0,286
0,068
0,029
0,063
0,083
0,045
0,028
0,063
0,303
0,502
0,153
0,422
0,175
0,039
0,238
0,034
0,175
0,057
0,275
0,206
0,108
0,100
0,569
0,051
0,045
0,053
0,122
0,057
0,028
0,045
0,420
