Vers De Nouveaux Paramètres Pour Définir Les États De Surface ?

Le 01/06/2013 à 14:00  

L'essentiel

Les Arts et Métiers ParisTech proposent une nouvelle méthode pour calculer les paramètres d'états de surface dans la fonction de frottement lubrifié.

Les nouveaux paramètres se basent sur un profil “tronqué” dont on supprimerait la partie inférieure.

Ils se montrent complémentaires à ceux qui sont déjà définis dans l'ISO 12085.

L'état de surface d'une pièce mécanique joue un rôle fondamental dans les propriétés qui la caractérisent. Il influe sur son aspect, sa résistance à l'usure ou à la corrosion; il conditionne l'adhérence d'un revêtement, le frottement ou le glissement au contact d'une autre surface, ainsi que l'étanchéité d'un assemblage.Pour le définir de façon très simple, l'état de surface décrit ce qu'un observateur peut voir à une“échelle donnée”.A ce niveau d'observation, il distingue une typologie d'irrégularités de surface organisées en structures et en textures. Leur étude permet de comprendre l'histoire fonctionnelle de la surface. Mais l'observation se limite à la perception de l'espacement entre les irrégularités. Rien n'indique leur profondeur…

De multiples applications de mécanique nécessitent malgré tout de s'intéresser àlapro-fondeur des irrégularités de surface. C'est le cas en particulier dans l'automobile. Pour assurer une production en grande série, les fabricants sont contraints de veiller à la reproductibilité des surfaces mises au point dans les laboratoires. Il faut aussi en maîtriser les irrégularités pour que les moteurs puissent tourner à des vitesses rapides. En parallèle, la nécessité de réduire la consommation en carburant conduit à disposer de pièces mécaniques plus petites supportant de plus fortes charges de fonctionnement. Enfin il faut que les utilisateurs soient dispensés de la contrainte de rodage (qui implique de rouler pendant un temps donné à vitesse lente pour que les surfaces en frottement dans le moteur s'adaptent les unes aux autres).

La ligne enveloppe supérieure, nouvelle référence

Conscients de ces impératifs, les fournisseurs d'instruments de mesure ont proposé dès le début des années 40 des moyens de connaître la profondeur des irrégularités de surface. Mais les procédures employées dans le traitement des profils conduisaient à des informations statistiques incomplètes. Pour caractériser les irrégularités de surface, les électromécaniciens se sont appuyés sur le fait qu'avec un filtre RC (résistance et condensateur), il était possible de déterminer la valeur moyenne de l'intensité d'un signal sinusoïdal. En raison de la faible pente des irrégularités de surface, les profils ont été assimilés à des sinusoïdes. Des calculateurs ont alors déterminé la valeur de l'intensité moyenne des signaux électriques représentatifs des profils de surface: c'est ce qui a conduit au célèbre paramètre Ra (rugosité moyenne arithmétique). Ce dernier est largement employé dans la mesure d'états de surface. Mais cela n'est pas sans conséquences.Suivant les longueurs de base que l'on utilise pour déterminer le Ra, la valeur obtenue est différente. Certes il existe aujourd'hui des méthodes de calcul pour définir le filtre le plus adapté (norme ISO 4288),mais le paramètre reste malgré tout largement controversé. La valeur du Ra résulte en fait de la surface du profil mesuré. Elle n'est donc pas représentative de sa forme: un rectangle long et étroit peut occuper la même surface qu'un carré, sans qu'ils aient pour autant la même forme…Valeur statistique sans écart type, le Ra peut cacher des profondeurs d'irrégularités excessives qui nuisent à la fonction de la surface. De plus, sa valeur reste intimement liée au procédé de fabrication employé.

Enfin la norme considère que tous les profils de surface sont des profils de rugosité. Or dans toute élaboration de surface, certaines irrégularités sont propres à la rugosité, d'autres à l'ondulation.

Dans ce contexte, les industriels de l'automobile ont cherché à développer de nouvelles méthodes pour caractériser la rugosité et l'ondulation des profils mesurés. Une succession de tests, réalisés en collaboration avec les Arts et Métiers ParisTech, a montré qu'il était possible de calculer le pas et la profondeur des irrégularités à partir de la ligne enveloppe des profils mesurés. Des travaux menés sur plusieurs années ont conduit au développement d'un algorithme de reconnaissance de forme qui caractérise les valeurs des paramètres de rugosité et d'ondulation quel que soit le procédé d'élaboration de la surface. Pour faire simple, le résultat est à l'image de ce que voit un observateur lorsqu'il examine le profil mesuré, et qu'il perçoit en même temps les espacements et la profondeur des irrégularités. Ces recherches ont abouti à la norme ISO 12085, parue en décembre 1996. Celle-ci coexiste désormais avec la norme précédente (ISO 4288) basée sur la ligne moyenne du profil mesuré… Qu'est-ce qui change ? Avec la norme ISO12085, les paramètres calculés ne sont plus basés sur la ligne moyenne du profil, mais sur la ligne enveloppe supérieure. La méthode applique un type de filtre particulier, et définit des formes de base appelées “motifs”. Elle conduit à la détermination de plusieurs paramètres de rugosité et d'ondulation, qui sont basés sur la profondeur et le pas des motifs.

Dans la mesure des états de surface, il existe plusieurs normes phares et de nombreux paramètres. Le centre des Arts et Métiers ParisTech de Châlons-en-Champagne revient sur le calcul de certains d'entre eux. Par rapport à la méthode décrite dans la norme ISO 12085, il propose de se baser uniquement sur le profil supérieur en “supprimant” le profil inférieur non fonctionnel.

Ensam

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