- 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.
Sommaire
Critères
Fonctions de surface
Surface avec fonction
On indique obligatoirement : -* un signe (identique à celui § 16-41),
- le symbole de la fonction (voir tableau),
- -le symbole et la valeur numérique du critère caractéristique (pour la majorité des applications on choisit soit R, soit Ra)
et éventuellement en cas de besoins stricts :
- le symbole et la valeur numérique d'un deuxième critère de profil,
- le symbole du procédé d'élaboration (voir tableau ci-dessous),
- des spécifications complémentaires repérées par (1), In etc. et explicitées dans un nota.
ED; FG : surface d'étanchéité dynamique et de frottement de glissement. Ra 6,3 - 1,6 : l'écart moyen arithmétique de rugosité Ra doit se trouver compris entre 6,3 et 1,6 1.1.m. rd : le procédé d'élaboration est le rodage. NOTA : (1) avant rodage, effectuer une rectification plane; après cette opération, la qualité de surface doit être Ra 0,1 - Rn,. 0,8.
Position du signe
Le signe est placé :
- soit sur une génératrice de la surface.
soit sur une ligne de rappel, soit sur une ligne reliée à la surface, ou à une ligne de rappel, et déterminée par une flèche * POSITION DU SIGNE D'ÉTAT DE SURFACE :
Ra0.4. FGÉtat de surface général :
REMARQUES: • Ne porter les signes, d'état de surface que sur les dessins de définition, jamais sur les ensembles. ai Pour une surface donnée n'inscrire le signe qu'une seule fois et à proximité des cotes correspondantes. Si une pièce comporte la même spécification d'état de surface pour toutes les surfaces à l'exception de quelques-unes, on peut inscrire l'état de surface général au voisi¬nage du cartouche. • ,g fi< Ile-etticÉligeb,ttetime›.. * ' Moulage sable mos Alésage al Fraisage en roulant frr Perçage pe Brochage j br Forgeage fo Pierrage pi Découpage ,, de Galetage ga Polissage po Dressage dr Grattage gr Rabotage rb Électro-érosion éé Grenaillage angulaire gna Rectification cylindrique rcc Électro-formage éf Grenaillage sphérique gns Rectification plane rcp Électro-polissage ep Lamage lm Rodage rd Estampage es Laminage à chaud lac Sablage humide sah Étincelage ei Laminage à froid laf Sablage à sec sas Étirage et Matriçage ma Sciage sc Filetage fl Meulage me Superfinition sf Fraisage en bout frb Moulage coquille moc Tournage to
Surface Fonction Symbole Condition Exemples d'application Ra. Ir Avec déplacements relatifs Frottement de glissement FG (1) Moyenne Coussinets-Portées d'arbres 0,8 2 Difficile Glissière de machines-outils 0,4 1 Frottement de roulement FR (2) Moyenne Galets de roulement 0.4 1 Difficile Chemin de roulement à billes 0,02 0,06 Résistance au matage RM Moyenne Cames de tours automatiques 0,4 1 Difficile Extrémités de tiges de poussée 0,10 0,25 Frottement fluide FF Moyenne Conduits d'alimentation 6,3 16 Difficile Gicleurs 0,2 0,5 Étanchéité dynamique ED (3) Moyenne Portées pour joints V. Ring (voir § 44-242) 0.8 2 Difficile Portées pour joints, à 4 lobes (voir § 44-26) 0,4 1 Avec assemblage fixe Étanchéité statique ES (3) Moyenne Surfaces d'étanchéité avec joint plat 1,6 4 Difficile Surfaces d'étanchéité glacées - sans joint 0,1 - 0,25 Assemblage fixe (contraintes faibles) AF (4) Moyenne Portées, centrages de pièces fixes démontables 32 10 Difficile Portées, et centrages précis 1,6 4 Ajustement fixe avec contraintes AC Moyenne Portées de coussinets 1,6 4 Difficile Portées de roulements 0,8 Adhérence (collage) AD Fixation avec colle (voir § 29.2) 1,6 à 3,2 2 à 10 ene.111103 sues Dépôt électrolytique DE . Indiquer la rugosité exigée par la fonction, après dépôt 0,1 à 3,2 0,25 à 10 Mesure ME Moyenne Faces de calibres d'atelier 0,1 0,25 Revêtement (peinture) RE 3,2 ...>... 10 Avec contraintes Résistance aux efforts alternés Moyenne Alésages de chapes de vérin 1,6 4 Difficile Barres de torsion 0,8 2 Outils coupants (arête) OC Moyenne Outils en acier rapide 0,4 1 Difficile Outils en carbure 0,2 0,5 (1) Denture d'engrenage voir ¢ 47-5. (2) Voir également le chapitre 40 concernant les roulements. (3) Voi également le chapitre 44 concernant les joints d'étanchéité. (4) Symbole non normalisé, rappeler sa signification sur chaque plan. Relations approximatives : Rp ^,-i 0,4 R; R, e, 5 à 10 R, Dans la plupart des cas les valeurs relatives des critères res¬pectent les relations suivantes : Rn,. < 2R; W < 2R, L'intervalle de tolérance IT doit être supérieur à 10 R,Direction des stries
Si la direction générale des stries d'usinage a une influence sur le comportement fonctionnel d'une surface, on peut représenter la surface concernée dans une vue annexe et schématiser la direction des stries. Ne pas abuser de cette représentation qui ne doit être utilisée que pour éviter toute équivoque.
Surépaisseurs d'usinage
En cas de besoins stricts les surépaisseurs sont indiquées en utilisant les notas des spécifications complémentaires. Voir valeurs usuelles G. T. 15.
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 :
- générée par la coupe d'un outil (OC),
- résistance aux efforts alternés (EA),
- résistance à la corrosion (RC),
- destinée à recevoir un revêtement, peinture (RE),
- destinée à recevoir un dépôt électrolytique (DE),
- mesure (ME),
- aspect (AS).
Défauts de surface
La norme NF E 05-515 distingue six ordres de défauts de surface, du plus grand au plus petit :
- Écart de forme (échelle macroscopique) : défaut de planéité, de rectitude, de circularité, … voir Cotation GPS ;
- Ondulation (échelle macroscopique) : l'écart entre les crêtes est compris entre 0,5 et 2,5 mm ;
- Stries et sillons (défauts périodiques ou pseudo-périodiques, échelle microscopique) : l'écart entre les crêtes est inférieur ou égal à 0,5 mm ;
- Défauts localisés (échelle microscopique) : marque d'outil, arrachement, fente, piqûre, … ;
- Structure cristalline (échelle mésoscopique) : voir Modèle TLK ;
- 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
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
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
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
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
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
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
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
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
États de surface et fonction
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
- …
- …
- très difficile
- frottement de roulement
- résistance au matage
- frottement fluide
- étanchéité dynamique
- frottement de glissement
- 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
Rugosité Ra en micromètres ou rugosité R en micromètres
Rugosité de surfaces brutes :
- Estampage : Ra / R 12,5 / 40 - 3,2 / 10 - (1,6 / 4)
- Forgeage : Ra / R 3,2 / 10
- Laminage à froid (sur cuivre) : Ra 0,6 à 0,08µm/Rmax =1,0 à 1,5µm
Rugosité de surfaces usinées :
- Alésage :
- …
- 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 Valeur usuelle x Valeur exceptionnelle - Notes et Références
Bibliographie
- 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
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