A la croisée des chemins entre conception, contrôle et fabrication, le tolérancement fonctionnel, ou cotation ISO, joue un rôle essentiel dans la vie de tous les jours des mécaniciens et des métrologues. La cotation a en effet pour but de définir les dimensions et les positions relatives des surfaces d'une pièce, ainsi que les variations possibles pour ces grandeurs, en garantissant également le bon fonctionnement de la pièce dans son mécanisme. Et la cotation fonctionnelle, elle, permet de faire un choix raisonné pour les tolérances maximales et minimales, en se basant sur l'analyse fonctionnelle des formes. Voilà pour la théorie. « Le principe des Spécifications géométriques des produits ( Geometric Product Specifications ou GPS) est un moyen de communication par lequel concepteurs, ingénieurs de production et métrologues échangent une information non ambiguë sur les dimensions et tolérances admissibles des pièces », rappelle Marguerite de Luze, directrice du développement au sein de l'Union de normalisation de la mécanique (UNM).

C'est à l'occasion de la 4 ^e édition des Journées européennes du tolérancement (JET), qui se sont déroulées les 21 et 22 janvier 2015 dans le magnifique cadre de l'Imperial Palace, sur les bords encore enneigés du lac d'Annecy (Haute-Savoie), organisées par l'Université de Savoie et le Centre techniques des industries mécaniques-Centre technique de l'industrie du décolletage (Cetim-Ctdec), que près de 120 personnes sur les deux jours ont pu faire le point sur les dernières évolutions dans le domaine, échanger sur des retours d'expériences industrielles (voir encadré page 47) , rencontrer quelques fabricants d'appareils de mesure et éditeurs de logiciels (dans une mini-exposition), etc. «Après quelques années d'interruption, nous avons enfin relancé les JET, dont la première édition remonte déjà à 2004. Nous allons donc parler de vos besoins, à vous industriels et notamment les manufacturiers, et des normes européennes et mondiales. En fait, nous allons parler de métrologie du futur pour les usines de demain », a lancé Thierry Vuillemin, directeur général du Cetim-Ctdec ( voir Mesures n° 873 ), lors de l'ouverture des journées techniques.

Les normes liées aux spécifications géométriques des produits

Au vu, notamment, des discussions animées de l'assemblée lors des présentations, l'une des grandes préoccupations des acteurs porte sur les normes GPS, normes qui évoluent régulièrement à l'image, par exemple, des normes GPS de tolérancement géométrique ISO 1101: 2012 et dimensionnel ISO 14405: 2011. Avant de poursuivre, un rappel sur la norme de base ISO 8015 s'impose. Depuis la mise en place de l'organisation GPS – le comité technique 213 «Spécifications et vérification dimensionnelles et géométriques des produits» a été créé en 1996–, elle définit les principes de tolérancement de bases du dessin technique. « Bien que ce ne soit pas écrit de manière aussi explicite, la norme ISO 8015 ébauche les trois principes de tolérancement suivants : par dimension, par zone et par gabarit (voir figure 1) . En fait, la norme que nous saluons d'ailleurs tous au passage s'attarde surtout sur le concept du principe de l'indépendance », expliqueYann de Rickxsen, responsable du laboratoire de métrologie du Cetim-Ctdec.

DR Thierry Vuillemin (à droite), directeur général du Cetim-Ctdec, lors de l'ouverture des Journées européennes du tolérancement 2015 : « Après quelques années d'interruption, nous avons enfin relancé les JET. Nous allons donc parler de vos besoins, à vous industriels et notamment les manufacturiers, et des normes européennes et mondiales. En fait nous allons parler de métrologie du futur pour les usines du futur. »

L'ISO 8015 stipule en effet que « chaque exigence dimensionnelle ou géométrique spécifiée sur un dessin doit être respectée en elle-même (indépendamment), sauf si une relation particulière est spécifiée ». Elle précise ensuite, dans le paragraphe consacré aux tolérances et plus particulièrement aux tolérances dimensionnelles linéaires, qu' « une tolérance linéaire limite uniquement les dimensions locales réelles (mesure entre deux points) d'un élément mais pas ses écarts de forme (par exemple, écarts de circularité et de rectitude d'un élément cylindrique,ou écarts de planéité de deux surfaces planes parallèles) ». Prenons l'exemple de deux dimensions différentes : l'une appelée cote de taille et l'autre cote de dimension (voir figure 2) .

Dans le cas d'une cote de taille, il n'y a plus qu'un seul décodage possible pour une telle cotation, depuis avril 2006, date à laquelle l'ISO 286 se réfère à l'ISO 8015 concernant les cotes directes. Le principe deTaylor étant définitivement abandonné par la cotation ISO GPS, seul le principe de l'indépendance est maintenant retenu. Cette cotation devra donc être décodée comme étant une multitude de cotes directes à prendre entre deux points en vis-à-vis sur les surfaces considérées. L'ISO 8015 ne donne toutefois aucune précision sur la direction de mesure des points en vis-à-vis. Il faudra donc, pour les cotes précises, mettre en place un protocole de mesures. En ce qui concerne la cote de dimension, comme il n'existe pas de «bipoints» en vis-à-vis, la mesure de cette cote n'est pas prévue dans le concept GPS. « Nous sommes dans le domaine de l'interprétation et plusieurs mesures sont possibles. Dans le cas de tolérances avec un intervalle de tolérance serré, il est nécessaire de mettre en place un protocole de mesures admis par toutes les parties prenantes », poursuit Yann de Rickxsen.

Ces dernières années sont apparues les normes ISO 14405-1: 2010 et ISO 144052: 2011 qui annulent les parties correspon-dantes de la norme ISO 8015: 2006. Nous allons nous intéresser aux nouveautés apportées par le volet 1 uniquement, qui ne traite que des cotes dites de tailles linéaires, les autres types de cotes regroupées dans le volet 2 étant moins riches en nouveautés. La norme ISO 14405-1 définit un ensemble d'opérateurs de spécification spéciaux pour la taille linéaire des entités dimensionnelles de type « cylindre » et de type « deux plans parallèles opposés ». Dans la suite de l'explication, la taille correspond au diamètre d'un cylindre ou à la distance entre deux plans parallèles opposés. En fonction de l'entité dimensionnelle, les termes « diamètre » et « distance » sont des synonymes pour la taille.

Les apports des normes ISO 14405 et ISO 1101

« La nouvelle norme définit un certain nombre de familles de critères spécifiques liés aux entités de tailles cylindriques, réunis dans une boîte à outils conception », indique Eddy Maignan, gérant d'EMC Formation. On trouve ainsi les tailles Locales, entre deux Points ou Sphériques, les tailles Globales directes (au moindre carré ou Gauss, maXimales inscrites et miNimales circonscrites), les tailles globales Calculées avec la définition d'un diamètre Circonférentiel, d'Aire circulaire et Volumique lié à un tronc de cylindre. Il existe ensuite les tailles par ordre de rang, basées sur des mesures faites entre deux points et classées suivant des critères Statistiques (taille maXimale, taille miNimale, taille moyenne ouAverage, taille Médiane, centre de la plage d'étendue ou Distance et étendue de taille R). Ces tailles statistiques sont déduites d'un certain nombre de mesures de tailles homogènes sur une même pièce (plusieurs mesures entre deux points d1, d2 … dn sur un cylindre, par exemple).

Illustrons cette boîte à outils de conception en détaillant deux modificateurs, par exemple LS et GX (voir figure 3) . Dans le cas de la taille Locale Sphérique, la dimension diamétrale est notée sur le plan par un modificateur «LS» dans un encadré oblong. Le volume sera défini comme une succession de sphères maximales inscrites au volume extrait. Notons qu'il n'y a pas besoin de définir l'élément dérivé associé (axe) au moindre carré. Le volume sera considéré comme correct si tous les diamètres sphériques sont compris entre 19,9 et 20,1. Dans le cas de la taille Globale maXimale inscrite, la dimension diamétrale sera notée sur le plan par un modificateur «GX», toujours dans un encadré oblong. Le volume sera défini comme un volume parfait (cylindre) maximal inscrit aux éléments extraits de volume réel.

En 2012, c'est la norme ISO 1101 qui fut publiée. « La grande majorité des nouveautés apportées par cette norme sont liées à la représentation 3D de la cotation. Du fait même que cette cotation s'appuie, non plus sur des projections planes, mais sur un modèle en trois dimensions, certains aspects de la cotation ont besoin de précision sur, entre autres, la définition de l'orientation que le concepteur souhaite donner à sa zone de tolérance », explique Eddy Maignan. C'est ainsi que de nouveaux outils et de nouvelles façons de coter ont été créés. Pour un élément tolérancé, lorsque la spécification géométrique se rapporte à l'élément lui-même (élément intégral), le cadre de tolérance doit être relié à ce dernier par une ligne repère partant de n'importe quelle extrémité du cadre et se terminant sur l'élément lui-même. L'extrémité de la ligne repère est un point, mais peut être également une flèche placée sur un trait de référence utilisant une ligne repère dirigée vers la surface.

Lorsque la spécification géométrique se rap-porte à une ligne médiane, à une surface médiane ou à un point médian (élément dérivé), elle est indiquée par soit une ligne repère soit un modificateurA. La ligne repère part d'une des deux extrémités du cadre de tolérance et se termine par une flèche dans le prolongement de la ligne de cote d'une entité dimensionnelle. Avec le modificateurA (élément médian), ce dernier est placé à l'extrémité droite de la deuxième case du cadre de tolérance en partant de la gauche. La ligne repère partant d'une des deux extrémités du cadre de tolérance ne doit pas obligatoirement se terminer sur la ligne de cote, mais peut s'interrompre par un point sur le contour de l'élément.

Zone de tolérance, plans d'intersection et d'orientation

A côté des éléments tolérancés, on trouve également les zones de tolérance orientée, les plans d'intersection et les plans d'orientation. Sauf indication contraire, une zone de tolérance est positionnée de manière symétrique par rapport à l'élément idéal. L'orientation seule de la ligne repère n'a pas d'effet sur la définition de la zone detolé-rance,sauf dans le cas où l'orientation de la ligne repère, et in fine la direction de la largeur de la zone de tolérance, est indiquée par une dimension théorique exacte ( Theoretically Exact Dimension ou TED). Lorsque l'élément de direction est indiqué, la largeur de la zone de tolérance est alors définie par un ensemble infini de segments droits, inclinés dans la direction indiquée par l'indicateur d'élément de direction. Les plans d'intersection, eux, doivent être utilisés dans l'annotation 3D quand le plan de projection est impliqué dans la signification des spécifications dans l'annotation 2D, par exemple la rectitude d'une ligne dans un plan, le profil de n'importe quelle ligne.

Seules les surfaces appartenant à une des classes d'invariance suivantes doivent être utilisées pour établir une famille de plans d'intersection: de révolution (par exemple, un cône ou un tore), cylindrique et plane. Le plan d'intersection est spécifié par un indicateur de plan d'intersection placé dans le prolongement du cadre de tolérance (parallèle, perpendiculaire et incluant). Le symbole définissant la manière dont le plan d'intersection est dérivé de la référence spécifiée est placé dans la première case de l'indicateur de plan d'intersection. Signalons que, lorsque l'élément tolérancé est une ligne sur un élément intégral, un plan d'intersection doit être défini en annotation 3D pour éviter toute erreur de signification de l'élément tolérancé. Sauf dans les cas de la rectitude d'une génératrice ou de la circularité d'un cylindre ou d'un cône

Enfin, les plans d'orientation doivent être utilisés dans l'annotation 3D dans trois cas de figures: l'élément tolérancé est une ligne médiane ou un point médian; la largeur de la zone de tolérance est limitée par deux plans parallèles; ou la zone de tolérance est orientée par rapport à un autre élément établi à partir d'un élément extrait de la pièce, identifiant l'orientation de la zone de tolérance. Pour un élément dérivé, l'utilisation d'un plan d'orientation rend possible la définition de la direction de la largeur de la zone de tolérance indépendante du modèle nominal (cas de la position) ou de la référence spécifiée (cas de l'orientation). Pour une ligne dans une surface, l'utilisation du plan d'orientation rend possible la modification de la direction de la largeur de la zone de tolérance. Le plan d'orientation est alors spécifié par un indicateur de plan d'orientation placé dans le prolongement du cadre de tolérance (parallèle, perpendiculaire et orientation). Et, comme pour les éléments d'intersection, les éléments pour définir les plans d'orientation sont de révolution, cylindriques ou plans.

Un plan d'orientation doit être indiqué en annotation 3D lorsque la largeur de la zone de tolérance n'est pas dans une direction normale à la géométrie spécifiée ou lorsque l'élément tolérancé est un point ou une ligne médiane dans une direction cartésienne donnée. Dans le cas où le cadre de tolérance comporte une ou plusieurs références spécifiées, le plan d'orientation est alors établi parallèlement, perpendiculairement ou selon un angle spécifié avec un plan défini par l'indicateur de plan d'orientation, en considérant des contraintes (un angle implicite de 0° ou 90°, un angle explicitement défini par uneTED) par rapport à la (ou aux) référence(s) spécifiée(s) du cadre de tolérance. « La norme ISO 1101-2012 est apparue en langue anglaise,et un amendement de cette norme est en cours à la suite d'enquêtes publiques dans les différents pays. Il devient de plus en plus évident qu'une formation appropriée à ce langage est nécessaire au bon codage et décodage des prescriptions de cotation fonctionnelle sur les documents à venir, qu'ils soient 2D ou 3D », insiste Eddy Maignan.

Evolutions, aussi, dans le maximum de matière

Il n'y a pas qu'au niveau de la norme ISO 8015: 2006 que des évolutions ont été apportées ces dernières années. Dans le domaine du maximum de matière aussi, les utilisateurs doivent prendre en compte des changements. « La norme ISO 2692 a en effet connu deux révisions, l'une en 2006 (Edition 2) correspondant à la norme NF EN ISO 2692: 2007 et la deuxième en 2014 (Edition 3) qui devrait être publiée sous peu en tant que la NF EN ISO 2692: 2015 », indique Nicolas Lerouge,ingénieur support Métrologie et spécialiste en tolérancement chez PSA Peugeot Citroën. Déjà, par rapport à l'ISO 2692: 1988 (voir figure 4) ,la version 2006 a apporté un certain nombre d'évolutions. « Il s'agissait d'essayer de mieux expliquer le maximum de matière, d'où l'apparition de la notion de gabarit et non plus de diagrammes dynamiques. La norme définit ainsi l'exigence au maximum de matière (MMR) comme une spécification par gabarit », poursuit-il. On parle désormais, par exemple, de règles A et B (les tailles locales sont comprises entre un diamètre minimal Ømin et un diamètre maximal Ømax ), de la règle C et de la règle D. Cette dernière définit un gabarit virtuel («état virtuel») MMVC, pour les références spécifiées avec le symbole, gabarit qui est en orientation et/ou en positon théorique exacte par rapport au système de références spécifiées (voir norme ISO 5459). Les dimensions du gabarit sont données au paragraphe 3.8, note 3 de la norme: la dimension virtuelle au maximum de matière (MMVS) est égale à la dimension au maximum de matière (MMS) de l'élément de référence si celui-ci n'est pas géométriquement spécifiés, ou uniquement maîtrisé par des spécifications sans modificateur après la valeur de la tolérance (règle F). La MMVS est égale à la MMS de l'élément de référence moins la tolérance géométrique de la spécification de forme de l'élément de référence, si sa tolérance est suivie du modificateur et s'il s'agit d'une entité dimensionnelle intérieure; le MMVS est égal au MMS plus la tolérance géométrique, s'il s'agit d'une entrée dimensionnelle extérieure (règle G).

Clarifier des cas de figure ambigus

Selon la règle C, la matière ne doit pas traverser le calibre virtuel MMVC. «Cette nouvelle définition du MMR conduit à l'abandon du graphe dynamique dans la norme, qui devient d'ailleurs conceptuellement faux.Mais c'est ce que l'on continue à pratiquer tous les jours dans nos métrologies (erreur de méthode à prendre en compte dans l'instrument de mesure; ISO 17450-2). D'où le risque de propager une ambiguïté sur la dimension, d'oublier les contraintes (orientations) du gabarit, voire d'être amené à accepter des pièces qui auraient dû être refusées», constate Nicolas Lerouge. Autre nouveauté apparue dans l'ISO 2692: 2006, l'exigence de réciprocité (RPR) est complémentaire au MMR. Elle est représentée par le symbole modificateur ® et la règle A devient alors non valide. L'exigence de réciprocité est en fait équivalente à une spécification de type «0 ».

Mais, malgré les évolutions, il subsiste des difficultés dans la version 2006. Par exemple, c'est pour cela que la règle G évolue dans la version 2015: quoique plus complexe à lire, elle permet de résoudre des cas de figure comme celui de la figure 5a.Autre exemple, le modificateur CZ implicite pousse à faire évoluer la règle D. En plus de la définition existante, on verra apparaître l'ajout suivant: « De plus, lorsque plusieurs éléments tolérancés sont contrôlés par la même indication de tolérancement, les états virtuels au maximum de matière MMVC doivent également être en orientation et en position théoriquement exactes les uns par rapport aux autres (en plus des contraintes possibles par rapport à la [aux] référence(s) spécifiée(s) ; voir figures A.1, A.10,A.11 et A.13).»

« Les experts estiment même qu'il y a des points dans la norme qui nécessitent d'être clarifiés et encore améliorés : l'utilisation du maximun/minimun de matière sur les éléments tolérancés (définition de la caractéristique pour revenir à une valeur mesurée comparée à la valeur de la tolérance,exten-sion du MMR et du LMR à des entités non dimensionnelles) », explique Nicolas Lerouge. En ce qui concerne les éléments de référence, il faudrait mieux préciser la situation du gaba-ritvirtuel dans l'élément de référence –il est a priori non centré, mais soumis à un flottement pour minimiser l'écart sur la caractéristique géométrique. Ou encore savoir s'il y a simultanéité ou indépendance des gabarits virtuels dans le cas où le même élément de référence est utilisé dans plusieurs caractéristiques géométriques (même système de référence ou systèmes de références diffé-rents), s'il est possible de définir du sur un élément de référence si est posé après la tolérance, et inversement, de définir la dimension de l'état virtuel entre crochets (ASMEY14.5)…

Les normes d'états de surface s'ouvrent à la 3D

Intéressons-nous maintenant à la spécifi-cation des états de surface. « Si tout le monde a déjà vu le radical parmi les cotations de ses plans,il yamalheureusement une écriture différente, entre autres,selon la norme (ISO 12085 – Paramètres des motifs ou système de la ligne moyenne ISO 4287, ISO 4288,ISO 13565) pour laquelle on écrit pour les états de surface 2D (voir figure 6) », rappelle d'emblée Bertrand Leroy, expert encotation ISO et états de surface au sein de la direction Recherche et développement de PSA Peugeot-Citroën. A cela se greffe encore un aspect historique. Comme de nombreuses modifications de la façon d'écrire ont eu lieu au fil des années (norme d'écriture des spécifications ISO 1302: 1978, ISO 1302: 1992, ISO 1302: 2002), le nom de certains para-mètres a en effet également changé.

Comme on l'a vu auparavant, les évolutions successives permettent d'améliorer les normes, mais il reste encore un certain nombre de manques, et donc autant d'améliorations possibles, dans le domaine des états de surface. Prenons les spécifications des profils pour les états de surface 2D. En ce qui concerne la suppression de forme, elle est nécessaire dans certains cas de figure, tels qu'un cylindre, une denture, une forme gauche. Il n'est également pas possible d'indiquer, dans la façon d'écrire, la façon de supprimer la forme. Et, même si de nombreuses techniques sont aujourd'hui proposées dans les logiciels, elles ne sont pas forcément normalisées ou il n'y a pas de norme indiquée. Si l'on regarde le système des motifs, la norme n'est pas suffisamment claire en ce qui concerne les valeurs par défaut des paramètres, la fiabilité de l'algorithme du W est parfois douteuse, sans compter les différences de résultats entre logiciels.

«Au niveau des états de surface en statistique,aucun moyen d'indiquer une gestion statique des critères et des échantillons mesurés n'est disponible. Cela devrait être possible avec la future norme ISO sur les spécifications statistiques », avance Bertrand Leroy. Avec le système de la ligne moyenne, on constate l'impossibilité de différencier le filtre de chaque borne ( s- cou c- f) et d'indiquer la gestion des effets de bord. Et rien n'existe pour les critères W et f en termes de valeurs par défaut. En ce qui concerne les taux de portance, on ne peut pas indiquer le taux de référence,sans compter que le choix de la limite minimale ou maximale est l'inverse de celui souhaité. La norme ISO 1302/A2, non publiée encore, devait toutefois permettre la spécification non ambiguë des taux de portance. Enfin, mais la liste n'est pas exhaustive, il est impossible d'indiquer la longueur d'évaluation des profils P parce que rien ne permet d'indiquer la valeur de la longueur de base. Mais la norme demande de mesurer toute la longueur disponible…

Comme on le constate tous les jours, les moyens de mesures dimensionnelles en trois dimensions (3D) sont de plus en plus couramment mis en œuvre dans l'industrie. Et les états de surface ne dérogent pas àlaten-dance… Les utilisateurs peuvent alors se demander pourquoi spécifier les états de surfaces en 3D (série de normes ISO 25178 Spécification géométrique des produits (GPS) –État de surface surfacique; voir Mesures n° 787 ). « Il y a déjà l'évolution des exigences fonctionnelles qui se caractérisent par des mécanismes de plus en plus complexes,des mesures correspondant à la réalité des pièces et l'apparition de nouveaux domaines techniques. Nous sommes également confrontés à la difficulté de tout caractériser en 2D. Il n'est en effet pas toujours possible de trouver une fonction de transfert entre la mesure 2D et 3D, ou encore le fonctionnement est réellement 3D », constate Bertrand Leroy.

Avec les états de surface 3D, les bureaux d'études, eux aussi, sont confrontés à de nouveaux défis. Pour n'en citer que quelques-uns: compte tenu de la grande diversité des instruments de mesure existants, contrairement à la 2D, le bureau d'études doit-il avoir connaissance des tech-nologies et doit-il spécifier une technologie? Avec l'augmentation de la proportion des mesures optiques, quid des points non mesurés, des points aberrants, de l'angle de réponse optique, de l'éclairage, etc.? Pour la mesure 3D en «série», il faut anticiper la formation en usine, trouver du personnel qualifié, accumuler de l'expérience pour l'analyse des résultats… Mais le jeu en vaut la chandelle: la mesure des états de surface 3D est une technique au service aussi de l'innovation pour les bureaux d'études. « En plus d'être un moyen de communication,les normes, en général,permettent également de réduire les coûts de possession et de transaction, et sont un outil de confiance et de réduction des risques, un facteur d'élargissement des marchés, etc.», conclut Marguerite de Luze (UNM).