État de surface (mécanique)

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

En spécification géométrique des produits (GPS), on distingue seize fonctions principales que peut remplir la surface d'une pièce mécanique :

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) ;
• générée par un outil de forme (pliage, repoussage, chaudronnerie) ;
• générée par un outil abrasif (chaudronnerie, polissage, ponçage, serrurerie) ;
• générée par un outil découpant (chaudronnerie, découpage jet d'eau, découpe laser, découpe plasma, oxycoupage) ;
• générée par un outil de soudage (chaudronnerie, serrurerie) ;
• 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).

Il s'agit des composantes de longueurs d'onde les plus courtes provoquées le plus souvent par le bruit électronique de l'appareil de mesure. Mais la micro-rugosité peut être également présente sur la pièce et elle est dans ce cas la signature de l'aspect d'une pièce plus ou moins lisse. Dans la majorité des applications, la micro-rugosité est éliminée par filtrage.

On la mesure avec un rugosimètre ou un profilomètre. La rugosité concerne les défauts micro géométriques de la surface. Ils sont évalués après filtrage de la surface réelle à l'aide d'un filtre passe-haut ne retenant que les longueurs d'onde latérales les plus courtes. Les paramètres de rugosité en profilométrie commencent par la lettre majuscule R suivie d'une ou plusieurs lettres déterminant le type de paramètre. Par exemple, le paramètre « Ra » est la rugosité moyenne arithmétique du profil. « Rz » est la rugosité maximale du profil. La rugosité d'une pièce usinée est une signature du type d'usinage (tournage, polissage, pierrage, etc.). La cotation des états de surface en mécanique 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 deux niveaux de défauts d'état de surface :

• niveau 1 : stries périodiques ;
• niveau 2 : défauts apériodiques : arrachement de matière.

Complémentaire à la rugosité, l'ondulation regroupe les composantes de l'état de surface à plus grande longueur d'onde. L'ondulation est obtenue par filtrage passe-bas et est parfois appelée ligne moyenne du profil. Les paramètres d'ondulation commencent par la lettre W. L'ondulation sur une pièce usinée est transférée par un défaut de la machine-outil (vibration, décentrage, etc.). Elle nuit en général aux fonctions de contact sec, de frottement ou d'étanchéité.

Les écarts de forme sont les résidus à grande longueur d'onde obtenus après suppression de la forme nominale de la pièce (par exemple un cylindre). Ils correspondent par exemple au défaut de planéité ou de rectitude, au défaut de circularité, etc. En spécification géométrique, on élimine en général ces écarts de forme par filtrage.

La mesure des états de surface peut être réalisée avec un rugosimètre, un profilomètre à contact ou optique, ou un microscope capable de mesurer la hauteur de surface. Aujourd'hui les états de surface sont évalués numériquement à partir de profils ou de surfaces numérisées. Les technologies les plus courantes^[1] pour la mesure d'état de surface sont :

• la profilométrie à contact ;
• la profilométrie optique à capteur confocal chromatique ;
• la profilométrie optique à focalisation dynamique ;
• la microscopie confocale ;
• la microscopie par interférence en lumière blanche ;
• la microscopie par interférence monochromatique ;
• la microscopie par variation de focale (microscope numérique) ;
• la microscopie électronique avec reconstruction 3D ;
• la projection de lumière structurée ;
• la triangulation laser.

En atelier, on utilise encore les échantillons viso-tactiles (Rugotest) qui permettent d'évaluer la rugosité par comparaison. Il existe aussi dans certains secteurs, des méthodes d'évaluation pneumatique ou à l'aide d'un papier à cigarette.

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^[2].

Plusieurs normes nationales ou internationales définissent la manière d'analyser les états de surface à l'aide de filtrage et de paramètres^[3].

• La norme NF EN ISO 21920-2 définit les paramètres communs, dits de rugosité, d'ondulation ou sur profil primaire.
• La norme NF EN ISO 21920-3 définit les opérateurs de spécification et la méthode dite des 16 %.
• La norme NF EN ISO 21920-1 définit la façon d'exprimer les spécifications d'état de surface sur les plans.
• La norme NF EN ISO 13565 définit des méthodes d'analyse de surfaces dites stratifiées obtenues par usinage multi-passe.
• La norme NF EN ISO 12085 (issue d'une norme française CNOMO), définit les caractéristiques suivantes :

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 R_i et aval R_i+1.

La ligne moyenne est calculée à partir du relevé du profil de coupe. C'est la ligne des moindres carrés.

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par la saillie la plus saillante.

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par le creux le plus profond.

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne à une distance c de la ligne des saillies.

C'est la distance entre la ligne des saillies et la ligne des creux.

C'est la moyenne intégrale des écarts en valeur absolue.

C'est la moyenne des profondeurs.

C'est la profondeur maximale.

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

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.

Le critère physique R est microgéométrique, et c'est l'amplitude moyenne de la rugosité (rugosité). Le critère statistique R_a est statistique, et c'est l'écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne. R = 5 R_a environ.

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 design industriel : des surfaces nanostructurées permettent de réaliser des aspects changeants selon l'angle d'observation ;
• 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 ;
• dans les énergies nouvelles : les surfaces des piles à combustible ou des panneaux solaires sont structurées afin de maximiser la surface d'échange ou la surface de captation ;
• en médecine : l'état de surface des prothèses de hanche a un fort impact sur la durée de vie de la prothèse ;
• etc.

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').

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

Rugosité R_a en micromètres ou rugosité R en micromètres

Rugosité de surfaces brutes :

• Estampage : R_a / R 12,5 / 40 - 3,2 / 10 - (1,6 / 4)
• Forgeage : R_a / R 3,2 / 10
• Laminage à froid (sur cuivre) : R_a 0,6 à 0,08 µm/R_max = 1,0 à 1,5 µm

Rugosité de surfaces usinées :

• Alésage :
  • outil acier rapide R_a / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 1,6 / 4 - (0,8 / 2)
  • outil carbure ou diamant R_a / R (3,2 / 10')' - 1,6 / 4 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1)
  • à l'alésoir R_a / R (6,3 / 16) - 3,2 / 10 - 0,8 / 2 - (0,4 / 1)
• …
• Tournage :
  • outil acier rapide R_a / R (12,5 / 40) - 6,3 / 16 - 1,6 / 4 - (0,8 / 2)
  • outil carbure ou diamant R_a / 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		-	x	x	x	-
	à froid
Moulage	au sable	mo	-	x	x	-
	cire perdue - procédé Schaw					-	x	x	-
	en coquille par gravité					x	x	x
	en coquille sous pression					x	x	x
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				-	x	x	x	-
	outil carbure de diamant						-	x	x	x	x	-
	alésoir						-	x	x	x	-
Brochage		br
Brunissage		—
Fraisage finition acier rapide		—
Fraisage finition carbure		—					-	-	x	x	x	-
Taillage de denture		—
Rectification		—				-	x	x	x	x	x	x	-
Rodage		rd								-	x	x	x	x
Polissage mécanique		po							-	x	x	x	x	x
Superfinition		sf									-	x	x	x
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 exceptionnelle et de 0,1 à 0,025 valeur usuelle.

Valeur usuelle

x

Valeur exceptionnelle

-

La rugosité peut être améliorée par les procédés de polissage ou de tribofinition ; ces procédés utilisent des médias abrasifs ainsi que des équipements tels que vibrateurs ou centrifugeuses satellitaires.

Source^[4].

• C. Barlier et 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 : dessins industriels et graphes, matériaux, éléments de construction, économie et organisation d'entreprise, automatisme, automatique, Paris, Nathan, Afnor, 2001, 592 p. (ISBN 2-09-178761-2), p. 113-118

• État de surface (optique)

• Guide de métrologie des états de surface
• Calculateur en ligne pour convertir les valeurs de rugosité Ra et Rz

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