Comprendre l'état de surface : unités, symboles et tableaux pratiques

Qu'est-ce que l'état de surface ?

L'état de surface, aussi appelé texture de surface ou topographie de surface, est la nature d'une surface définie par trois caractéristiques : l'orientation (lay), la rugosité de surface et l'ondulation (waviness). Il comprend les petites déviations locales d'une surface par rapport à l'idéal parfaitement plan (un plan vrai).

La texture de surface est un facteur important contrôlant le frottement et la formation de couche de transfert pendant le glissement. Des efforts considérables ont été faits pour étudier l'influence de la texture sur le frottement et l'usure en conditions de glissement.

Les textures de surface peuvent isotropes ou anisotropes. Parfois, des phénomènes de frottement « stick-slip » peuvent être observés pendant le glissement, selon la texture.

Chaque procédé de fabrication produit une texture de surface. Le procédé est généralement optimisé pour que la texture résultante soit utilisable. Si nécessaire, un procédé additionnel est ajouté pour modifier la texture initiale.

Ce second procédé peut être : rectification (coupe abrasive), polissage, lapage, sablage abrasif, rodage (honing), électroérosion (EDM), fraisage, lithographie, gravure industrielle/chimique, texturage laser, etc.

Définition de l'état de surface

L'état de surface, aussi appelé texture de surface ou topographie de surface, est la nature d'une surface définie par les trois caractéristiques : orientation, rugosité de surface et ondulation. Il comprend les petites déviations locales d'une surface par rapport à l'idéal parfaitement plan (un plan vrai).

L'état de surface est une mesure de la texture globale d'une surface caractérisée par l'orientation, la rugosité et l'ondulation. Quand il inclut les trois, on l'appelle souvent « texture de surface » pour éviter la confusion, car les machinistes utilisent souvent « état de surface » pour ne parler que de rugosité. Un autre terme analogue est « topologie de surface ».

Ce diagramme donne une idée de la relation entre Ondulation, Orientation et Rugosité :

Orientation (Lay)

L'orientation (lay) décrit le motif dominant sur une surface et l'orientation de ce motif. Elle est généralement produite par le procédé de fabrication et peut être parallèle, perpendiculaire, circulaire, croisée, radiale, multidirectionnelle, ou isotrope (non directionnelle). Nous discuterons des symboles et interprétation de l'orientation dans la section Symboles ci-dessous.

Ondulation (Waviness)

L'ondulation (waviness) désigne les variations d'état de surface les plus largement espacées. Ces imperfections périodiques sont plus grandes que la longueur d'échantillonnage de rugosité mais assez petites, courtes et régulières pour ne pas être considérées comme défauts de planéité.

Causes courantes : déformation par chauffage/refroidissement, défauts d'usinage par vibrations (chatter) ou fléchissement.

L'ondulation est mesurée sur une longueur d'évaluation, générant un profil d'ondulation pour cette longueur. Le profil n'inclut pas les irrégularités dues à la rugosité, planéité ou variations de forme.

L'espacement d'ondulation (Wsm) est l'espacement crête-à-crête des ondes, tandis que la hauteur d'onde est définie par l'ondulation moyenne (Wa) ou l'ondulation totale (Wt).

Les exigences d'ondulation sont moins fréquentes que celles de rugosité, mais importantes pour certaines pièces : pistes de roulements, surfaces d'étanchéité.

Rugosité de surface

La rugosité de surface, souvent abrégée en rugosité, fait référence aux petites irrégularités de géométrie de surface. C'est l'aspect le plus couramment spécifié, mesuré et calculé de l'état de surface ; beaucoup utilisent « état de surface » pour ne décrire que la rugosité.

Symboles de l'état de surface

Le symbole de base est une coche avec la pointe reposant sur la surface à spécifier. Les variations fournissent des instructions supplémentaires comme décrit dans le tableau ci-dessous.

Unités de l'état de surface

Ra – Rugosité moyenne arithmétique

Ra aussi appelé Moyenne Arithmétique (AA) ou Moyenne Ligne Centrale (CLA). C'est la rugosité moyenne dans la zone entre le profil de rugosité et sa ligne moyenne. Graphiquement, Ra = aire entre profil et ligne centrale / longueur d'évaluation. La longueur d'évaluation est normalement 5 longueurs d'échantillon, chaque longueur d'échantillon = une longueur de coupure.

Ra est de loin le paramètre d'état de surface le plus utilisé. Une raison : il est assez facile de prendre la valeur absolue d'un signal et de l'intégrer avec de l'électronique analogique, donc Ra mesurable par instruments sans circuits numériques.

Ra, bien que courant, ne suffit pas à caractériser complètement la rugosité. Selon l'application, surfaces avec même Ra peuvent performer différemment. Voici 4 surfaces avec même Ra et formes très différentes.

Pour distinguer ces différences, plus de paramètres sont nécessaires.

Rmax – Distance verticale du pic le plus haut au creux le plus bas

Rmax est particulièrement sensible aux anomalies comme rayures et bavures qui ne sont pas évidentes avec des mesures moyennes comme Ra.

Rz – Préféré par de nombreux Européens

Rz est souvent préféré à Ra en Europe, notamment Allemagne. Au lieu de mesurer depuis la ligne centrale comme Ra, Rz mesure la moyenne des 5 plus grandes différences pic-creux sur cinq longueurs d'échantillonnage. Alors que Ra est relativement insensible à quelques extrêmes, Rz est très sensible car conçu pour les mesurer.

Tableau d'état de surface

Points clés à retenir

• L'état de surface comprend ondulation, orientation, rugosité, mais il est courant que seule la rugosité soit spécifiée sur les dessins techniques.
• Ra = rugosité moyenne, sous-estime les variations de hauteur de surface.
• Rz = profondeur moyenne de rugosité, approxime la taille des variations de hauteur les plus sévères.
• Ra < Rz dans la plupart des cas. Conversion approximative : 7,2 × Ra = Rz (estimation grossière seulement).
• Important de savoir si rugosité spécifiée en unités SI (micromètres) ou anglaises (micro-pouces).
• Surfaces plus lisses = plus chères car plus de procédés requis. Donc spécifier la finition la plus rugueuse acceptable pour minimiser le coût.