État de surface et rugosité

Les surfaces, quelles que soient leurs méthodes d’obtention, présentent des défauts par rapport à la surface théorique prescrite. Ces derniers sont de différents ordres allant d’un défaut de forme à un défaut cristallin de dimension interatomique [BHU 12]. L’état de surface est observable au travers des défauts micro et macro géométriques identifiables à différentes échelles (ordres) et décomposables en plusieurs ordres cumulables (Fig.I.12). Les défauts macro géométriques correspondent aux ordres 0 à 2, alors que la rugosité (défauts micro géométriques) se situe au niveau des ordres 3 à 6. Les défauts d’états de surface, en ingénierie mécanique, font essentiellement référence à l'usinage par enlèvement de matière [DAV 10].

Un premier défaut d’orientation, macro géométrique (ordre 0), apparait par rapport au profil théorique. Il correspond à un défaut géométrique de la MOCN. Un défaut de forme, macro géométrique (ordre 1), se cumule au défaut d’orientation précédent. Il est lié à la machine (qualité de la structure cinématique, déformations élastiques) et à de mauvaises fixations de l’outil ou de la pièce. Le dernier défaut d’ordre macro géométrique est l’ondulation (ordre 2). Elle provient principalement d’une rotation excentrique de l’outil, de vibrations, d’une usure d’outil prononcée et/ou d’un matériau usiné non-homogène.

Les différents ordres d’échelle des défauts de l’état de surface (Étude du profil 2D suivant une coupe perpendiculaire à la surface).

Défaut d’orientation (ordre 0)

Profil parfait théorique

Défaut d’ondulation (ordre 2) périodique

Défaut de forme (ordre 1)

Rugosité (ordre 3) périodique

Rugosité (ordre 4) apériodique

Structure cristalline (ordre 5) apériodique (non représenté) Formation cristalline (ordre 6) apériodique (non représenté)

35 Un défaut de rugosité périodique, micro géométrique (ordre 3), se superpose au défaut d’ondulation (défaut macro géométrique). Cette dernière est formée par des fluctuations de courte longueur d’onde de la surface caractérisée par des creux et des saillies. La rugosité périodique provient principalement de la cinématique machine et de la morphologie des copeaux. S’additionne ensuite une rugosité apériodique (ordre 4) provenant d’une usure du bout de l’outil et du mode de formation des copeaux. À des échelles plus petites, il existe des défauts apériodiques de structure et de formation cristalline (ordres 5 et 6), issus du mode de cristallisation, des irrégularités liées à des réactions chimiques, des déformations des réseaux cristallins, des altérations physiques et chimiques survenant dans la structure fine du matériau. Aux ordres micro et macro géométriques précédemment définis, la norme [ISO4287 98] associe trois préfixes aux paramètres de base.

Paramètres de préfixe P : Il s’agit de paramètres calculés sur le profil primaire, un profil général correspondant aux ordres 2 à 4.

Paramètres de préfixe W : Il s'agit de paramètres calculés sur le profil ondulatoire correspondant à l’ordre 2.

Paramètres de préfixe R : Il s'agit de paramètres calculés sur le profil de rugosité de surface correspondant aux ordres 3 et 4. Le profil R se calcule en appliquant un filtre qui retire les éléments de longueur d'onde du profil W. Le profil R correspond donc à une modification intentionnelle du profil P. Il s’agit du profil retenu pour l’étude de la rugosité.

La norme [ISO4287 98] définit 14 paramètres 2D répartis en 4 classes (paramètres d’amplitude, paramètres d’espacement, paramètres hybrides, courbes et paramètres associés). De la même façon, la norme [ISO25178-2 12] définit 32 paramètres 3D répartis en 5 classes (paramètres de hauteur, paramètres d’espacement, paramètres hybrides, courbes et paramètres associés, paramètres divers) (Tab.I.2). Il est noté une similitude entre les définitions des deux classes 2D et 3D, ainsi qu’une équivalence entre les paramètres 2D et 3D. I.e., quand cela est possible, il existe un paramètre 3D homologue au paramètre 2D.

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Tab.I.2. Synthèse des paramètres de rugosité normalisés.

L’écart moyen arithmétique du profil évalué (Ra) correspond à la moyenne arithmétique des valeurs absolues des ordonnées à l’intérieur d’une longueur de base définie par la norme [ISO4287 98]. Il est quasiment le seul paramètre de rugosité participant à l’évaluation de l’intégrité de surface pour plusieurs auteurs [YIN 03] [YIN 06a] [YIN 06b] [KLO 11] [ANS 86]. La caractérisation de la rugosité par ce paramètre est aussi largement établie en dentisterie. La critique majeure concernant le paramètre Ra est qu’il ne distingue pas les creux et les saillies. Des paramètres de rugosité très sensibles aux creux et aux saillies de la surface et surtout aux valeurs extrêmes existent. Parmi eux le premier, Rt, correspond à la hauteur totale du profil. Il s’agit de la somme de la plus grande des hauteurs de saillies du profil et de la plus grande des profondeurs de creux du profil à l’intérieur de la longueur d’évaluation définie par la norme [ISO4287 98]. Le second, Rz, correspond à la hauteur maximale du profil. Il s’agit de la somme de la plus grande des hauteurs de saillies du profil et de la plus grande des profondeurs de creux du profil à l’intérieur d’une longueur de base (différente de la longueur d’évaluation) définie par la norme [ISO4287 98].

Concernant les paramètres 3D, le paramètre Sa (hauteur moyenne arithmétique de la surface à échelle limitée) est l’homologue de Ra. Il s’agit de la moyenne arithmétique de la valeur absolue des ordonnées à l'intérieur d'une zone de définition définie par la norme [ISO25178-2 12]. Le paramètre Sz (hauteur maximale de la surface à échelle limitée) caractérise les pics et vallées en 3D. Il s’agit du paramètre homologue de Rz et correspondant à la somme de la plus grande des hauteurs de pics et de la plus grande des profondeurs de fosses à l'intérieur d'une zone de définition.

14 paramètres de rugosité de profil 2D

Paramètres d’amplitude Rp, Rv, Rz, Rc, Rt, Ra, Rq, Rsk, Rku Paramètre d’espacement RSm

Paramètre hybride R∆q

Courbes & paramètres associes Rmr(c), Rδc, Rmr

32 paramètres de rugosité de surface 3D Paramètres de hauteur Sq, Ssk, Sku, Sp, Sv, Sz, Sa Paramètres d’espacement Sal, Str

Paramètres hybrides Sdq, Sdr

Fonctions & paramètres associes Smr(c), Smc(mr), Sk, Spk, Svk, Smr1, Smr2, Svq, Spq, Smq, Sxp, Svs(c), Srel(c), Svfc, Safc, Vv(p), Vvv, Vvc, Vm(p), Vmc

37 Le paramètre Sq (hauteur efficace de la surface à échelle limitée) correspond à la moyenne quadratique (RMS) des valeurs des ordonnées à l'intérieur d'une zone de définition. Le calcul de Sq est équivalent à un calcul d'écart-type de la rugosité. Ainsi, pour un Sa donné, une surface avec quelques grands pics/fosses répartis sur une surface nominale plus lisse aura un Sq plus élevé.