État de surface

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En mécanique, l'état de surface est un élément de cotation d'une pièce indiquant la fonction, la rugosité, la géométrie et l'aspect des surfaces usinées.

Critères[modifier | modifier le code]

Fonctions de surface[modifier | modifier le code]

On distingue seize fonctions principales que peut remplir la surface d'une pièce :

Surface de contact avec une autre pièce :

  • frottement de glissement lubrifié (FG),
  • frottement à sec (FS),
  • frottement de roulement (FR),
  • frottement fluide (FF),
  • résistance au matage (RM),
  • étanchéité dynamique avec ou sans joint ED),
  • étanchéité statique avec ou sans joint (ES),
  • ajustement fixe avec contrainte (AC),
  • adhérence, collage (AD) ;

Surface libre, indépendante :

Défauts de surface[modifier | modifier le code]

La norme NF E 05-515 distingue six ordres de défauts de surface, du plus grand au plus petit :

  1. Écart de forme (échelle macroscopique) : défaut de planéité, de rectitude, de circularité, … voir Cotation GPS ;
  2. Ondulation (échelle macroscopique) : l'écart entre les crêtes est compris entre 0,5 et 2,5 mm ;
  3. Stries et sillons (défauts périodiques ou pseudo-périodiques, échelle microscopique) : l'écart entre les crêtes est inférieur ou égal à 0,5 mm ;
  4. Défauts localisés (échelle microscopique) : marque d'outil, arrachement, fente, piqûre, … ;
  5. Structure cristalline (échelle mésoscopique) : voir Modèle TLK ;
  6. Réseau cristallin (échelle nanoscopique) : voir Dislocation et Défaut ponctuel.

La rugosité concerne les défauts d'ordre 3 et 4 : défaut d'une largeur inférieure à 0,5 mm (500 µm), périodiques (stries, sillons) ou localisés.

Rugosité[modifier | modifier le code]

On la mesure avec un Rugosimétre. La rugosité concerne les défauts micro géométriques de la surface réelle. La cotation des états de surface fait essentiellement référence à l'usinage par enlèvement de matière. Les défauts sont des stries et des sillons creusés par les arêtes coupantes des outils (outils de tournage, fraises, meules, etc...). On distingue 2 niveaux de défauts d'état de surface :

  • Niveau 1 : stries périodiques
  • Niveau 2 : défauts apériodiques : arrachement de matière

Technologie de mesure[modifier | modifier le code]

La mesure des états de surface peut être réalisée avec un microscope d'état de surface. Cette technologie de mesure présente l'avantage de permettre l'obtention d'un modèle numérique de la surface réelle sans contact. La mesure est réalisée sur un échantillon de surface. Ainsi, la mesure prend en compte la forme et la direction des stries.

Caractéristiques de la surface[modifier | modifier le code]

La nouvelle norme ISO 25178 définit l'analyse en 3D de l'état de surface, ce qui permet également la caractérisation des surfaces anisotropes ou périodiques difficile avec les anciens paramètres 2D d'état de surface[1].

Caractéristiques du profil[modifier | modifier le code]

Pour l'analyse de la surface, il est nécessaire de la subdiviser en un certain nombre de profils de coupe parallèles selon une direction normale aux stries d'usinage. Tous les profils ont la même longueur L.

Strie d'usinage
Chaque strie du profil numérotée i est composée d'une saillie et des deux demi-creux adjacents. Elle est caractérisée par sa longueur AR, sa profondeur de creux amont Ri et aval Ri+1.
Ligne moyenne
La ligne moyenne est calculée à partir du relevé du profil de coupe. C'est la ligne des moindres carrés.
Ligne des saillies
C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par la saillie la plus saillante.
Ligne des creux
C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par le creux le plus profond.
Ligne de coupe c
C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne à une distance c de la ligne des saillies.
Hauteur du profil Pt
C'est la distance entre la ligne des saillies et la ligne des creux.
Ecart moyen arithmétique Ra
C'est la moyenne intégrale des écarts en valeur absolue :
Profondeur moyenne R
C'est la moyenne des profondeurs.
Profondeur maximale des stries Rmax

C'est la profondeur maximale.

Pas moyen AR

C'est la valeur moyenne de la longueur des stries.

Taux de longueur portante Tp

C'est la longueur portante totale rapportée à la longueur du profil exprimée en %. La longueur portante d'une strie est la longueur de son intersection avec la ligne de coupe c.

Cotation fonctionnelle des états de surface[modifier | modifier le code]

Le critère physique R est microgéométrique, et c'est l'amplitude moyenne de la rugosité (rugosité).

Le critère statistique Ra est statistique, et c'est l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne.

R = 5 Ra environ

Domaine d'applications[modifier | modifier le code]

Les domaines où la rugosité joue un rôle sont très variés :

  • en optique, l'état de surface entraîne (principalement) de la diffusion, ce qui entraîne une perte de lumière.
  • en mécanique, elle crée du frottement, de l'usure, une force de traînée, etc. Elle peut parfois être bénéfique pour capturer les huiles
  • en soudure, elle permet d'éviter que certaines surfaces se soudent.
  • en adhésion, la rugosité s'oppose à un contact intime entre les deux objets, difficulté contournée par la déformabilité des matériaux collants.
  • en pharmaceutique : plus une rugosité est élevée plus il y a risque que des impuretés restent piégées et soient relâchées sans contrôle
  • ...

Appareils de mesure[modifier | modifier le code]

Il y a plusieurs méthodes pour évaluer un état de surface :

  • par comparaison (échantillons viso-tactile); Rugositest
  • par mesure (appareils électroniques à capteurs ou appareils optiques) : Rugosimètre
  • par test de rugosité (feuille de papier à cigarette : l'état de surface ne provoque pas la déchirure du papier frotté sur la surface)

Rugosité

C'est l'ensemble des irrégularités d'une surface à caractère micrographique et macrographique. Les surfaces usinées ne sont pas parfaites, elles présentent des irrégularités dues aux procédés d'obtentions, aux outils, à la matière, etc.

Le rôle fonctionnel d'une surface dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment de l'état de surface (étanchéité, glissement, etc.).

Plus l'indice de rugosité est faible, plus il est difficile à obtenir, ce qui augmente nécessairement le coût de fabrication.

Surface géométrique
Surface parfaite ; Sur le dessin, elle est définie géométriquement par le bureau d'études, à l'aide de cotes nominales.

Surface spécifiée
Surface résultant de la surface géométrique, transformée par le bureau des études qui prescrit les limites de réalisation de cette surface à l'aide de symboles et de valeurs numériques en complément des cotes nominales du dessin.

Surface mesurée
Surface déterminée à l'aide des instruments de mesure à partir de la surface réelle. La surface mesurée, résultant de l'exploration de la surface réelle devra être l'image la plus rapprochée de celle-ci.

Surface réelle
Surface obtenue au cours de la fabrication.

L : Longueur de base du profil moyen

Rp : Profondeur moyenne de rugosité. Moyenne arithmétique des valeurs de l'ordonnée y de tous les points du profil sur la longueur de base L.

Ra : Écart moyen arithmétique. Moyenne arithmétique des valeurs absolues de l'ordonnée y' (entre chaque point de la courbe et l'axe Ox').

Valeurs de rugosité[modifier | modifier le code]

États de surface et fonction[modifier | modifier le code]

Valeur maximum de R en µm :

  • avec déplacements relatifs :
    • frottement de glissement
      • très difficile
        • Acier : valeur maximum de R = 0,4 et W ≤ 0,3 R
    • frottement de roulement
    • résistance au matage
    • frottement fluide
    • étanchéité dynamique
  • assemblages fixes
    • étanchéité statique
    • assemblage fixe sans contrainte
    • assemblage fixe avec contrainte
    • adhérence (collage)
  • sans contrainte extérieure :
    • revêtement peinture
    • dépôt électrolytique
    • mesure
  • avec contraintes extérieures :
    • résistance aux efforts alternés
    • outils coupants face de coupe

Procédés de fabrication et états de surface[modifier | modifier le code]

Rugosité Ra en micromètres ou rugosité R en micromètres

Rugosité de surfaces brutes :

Rugosité de surfaces usinées :

  • Alésage :
    • outil acier rapide Ra / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 1,6 / 4 - (0,8 / 2)
    • outil carbure ou diamant Ra / R (3,2 / 10')' - 1,6 / 4 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1)
    • à l'alésoir Ra / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1)
  • Tournage :
    • outil acier rapide Ra / R (12,5 / 40) - 6,3 / 16 - 1,6 / 4 - (0,8 / 2)
    • outil carbure ou diamant Ra / R (3,2 / 10) - 3,2 / 10 - 0,4 / 1 - (0,4 / 1)
États de surface en fonction du procédé de fabrication - Surfaces brutes
Procédé de fabrication Écart moyen arithmétique Ra en µm
Procédé Symbole 50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025
Estampage es x x x -
Forgeage fo x
Grenaillage gn x x x x x x -
Laminage filage - extrusion à chaud lac - x x -
tréfilage - étirage à froid laf - x x x -
Matriçage à chaud ma
à froid
Moulage au sable mo
cire perdue - procédé Schaw
en coquille par gravité
en coquille sous pression
Moulage plastique mo
Sablage sa
Procédé Symbole 160 80 40 16 10 4 2 1 0,5 0,25 0,12 0,06
Procédé de fabrication Profondeur moyenne de rugosité R en µm
États de surface en fonction du procédé de fabrication - Surfaces usinées
Procédé de fabrication Écart moyen arithmétique Ra en µm
Procédé Symbole 50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025
Alésage outil acier rapide al
outil carbure de diamant
alésoir
Brochage br
Brunissage
Fraisage finition acier rapide
Fraisage finition carbure
Taillage de denture
Rectification
Rodage rd
Polissage mécanique po
Superfinition sf
Procédé Symbole 160 80 40 16 10 4 2 1 0,5 0,25 0,12 0,06
Procédé de fabrication Profondeur moyenne de rugosité R en µm

superfinition Ra= De 0.2 valeur exceptionnelles et de 0.1 à 0.025 valeur usuelles

Valeur usuelle
x
Valeur exceptionnelle
-

Notes et références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • C. barlier, R. Bourgeois, Mémotech productique, conception et dessin, Paris, Casteilla,‎ 1992, 559 p. (ISBN 2-7135-1220-4), p. 61-74
  • J.-L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Paris, Nathan, Afnor,‎ 2001, 592 p. (ISBN 2-09-178761-2), p. 113-118
  • cours de CPGE TSI