Fabrication avancée et méthodes industrielles · mais aussi aux ingénieurs praticiens qui sont aux prises avec des problèmes d’industria-lisation de produits ou de ﬁabilité

Christian MascleWaleryWygowski

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ISBN : 978-2-553-01551-9

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Dans le domaine industriel, le mot « Innovation » évoque souvent

l’idée de nouveau produit et de com-pétitivité, et donc de productivité, de qua-

lité, d’adaptabilité et de responsabilité. Cette innovation est parfois celle des produits eux-

mêmes, mais plus couramment dans l’industrie, elle se situe dans l’évolution des moyens employés pour

la production de ces objets, c’est-à-dire dans le passage vers des procédés et des méthodes de fabrication de pointe.

C’est dans cette optique de recherche de la performance, tant dans la fabrication industrielle que dans l’industrialisation

des produits, que s’inscrit Fabrication avancée et méthodes industrielles – Du dossier produit au dossier fabrication.

Comment comprendre la réalité de la fabrication industrielle et du travail du bureau des méthodes? Comment transformer des matiè-

res premières minérales en produits fabriqués fonctionnels? Enfin, com-ment élaborer le dossier de fabrication à partir du dossier produit issu du

bureau d’études? C’est ce que le lecteur apprendra en parcourant les diffé-rents chapitres des deux tomes de ce livre : compétitivité industrielle, qualité

des produits et respect de la norme ISO 9000, gabarits de contrôle des pièces, procédés d’obtention et calculs d’une pièce brute, procédés d’usinage, précision,

état de surface, fiabilité technologique, mesures de la productivité, calcul des coûts de fabrication, montages d’usinage, processus et analyse de fabrication, charte de

tolérances, procédés d’assemblage conventionnels et non conventionnels. Ce livre unique en français couvre l’ensemble des étapes de fabrication des produits,

de l’élaboration de leur brut à leur assemblage. Il propose une description de l’ensem-ble des procédés et fournit les outils pour calculer les principaux paramètres d’élabora-

tion des pièces et en assurer le contrôle. Il est destiné aux étudiants en génie mécanique, mais aussi aux ingénieurs praticiens qui sont aux prises avec des problèmes d’industria-

lisation de produits ou de fiabilité de machines de production.

Christian Mascle est professeur titulaire au Département de génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal. Il détient un doctorat en microtechnique de l'École

polytechnique fédérale de Lausanne, un baccalauréat en génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal et un diplôme d’ingénieur en microtechnique de l’École

d’ingénieurs du Locle (Suisse). Fort d’une trentaine d’années d’expérience en enseigne-ment et en recherche, il est spécialiste de l’industrialisation, de l’assemblage et de la fabri-cation des produits dans les domaines de l’aérospatiale, de l’automobile et des produits microtechniques.

Walery Wygowski enseigne au Département de génie mécanique et au Service de la forma-tion continue de l'École Polytechnique de Montréal. Il a obtenu son doctorat en sciences appliquées de l'École Polytechnique de Montréal et des diplômes de docteur en sciences techniques et d'ingénieur mécanicien de l'Université technique d'État de Moscou Bauman. Il cumule plus de 40 ans d’expérience pédagogique en génie mécanique dans diverses universités à travers le monde. Il est spécialiste en conception, en fabrication et en industriali-sation de produits dans les domaines de l’aérospatiale, du nucléaire et d’autres industries de produits sophistiqués.

Fabrication

avancée

et méthodes

industrielles Tome 1

Fabrication avancée etméthodes industrielles

Tome 1

Extrait de la publication

Christian Mascle Walery Wygowski

Fabrication

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Tome 1

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Presses internationales

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Fabrication avancée et méthodes industrielles – Du dossier produit au dossier fabrication, tome 1 Christian Mascle, Walery Wygowski

Équipe de production Coordination éditoriale et production : Luce Venne-Forcione Correction d’épreuve : Nicole Blanchette Couverture : Cyclone Design Mise en pages : Martine Aubry

Pour connaître nos distributeurs et nos points de vente, veuillez consulter notre site Web à l’adresse suivante : polymtl.ca/pub

Courriel des Presses internationales Polytechnique : [email protected]

Nous reconnaissons l’aide financière du gouvernement du Canada par l’entremise du Fonds du livre du Canada pour nos activités d’édition.

Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.

Tous droits réservés © Presses internationales Polytechnique, 2012

On ne peut reproduire ni diffuser aucune partie du présent ouvrage, sous quelque forme ou par quelque procédé que ce soit, sans avoir obtenu au préalable l’autorisation de l’éditeur.

Dépôt légal : 1er trimestre 2012 ISBN 978-2-553-01551-9 (version imprimée) Bibliothèque et Archives nationales du Québec ISBN 978-2-553-01630-1 (version pdf) Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada

Notes biographiques

Christian Mascle est professeur titulaire au Département de génie mécanique de l’École Polytechnique de Montréal. Il a obtenu son premier diplôme d’ingénieur en microtechnique de l’École d'ingénieurs du Locle (Suisse) en 1978, son baccalauréat en génie mécanique de l’École Polytechnique de Montréal en 1982 et son doctorat ès sciences en microtechnique de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) en 1990. Il a acquis son expérience initiale à l’occasion de différents stages dans l’industrie des turbines hydrauliques, du polissage de pièces et du raffinage pétrolier; par la suite, il a travaillé successivement comme associé de recherche en biomécanique à l’École Polytechnique de Montréal, comme professeur adjoint à l’École Polytechnique de Thiès (Sénégal), comme assistant professeur à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, puis il a obtenu un poste de professeur à l’Université du Québec à Trois-Rivières, avant de revenir à son alma mater, l’École Polytechnique de Montréal. Au cours de sa carrière universitaire, il a enseigné l’industrialisation des produits, la fabrication industrielle, la conception et les méthodes d’assemblage, la méthodologie du design, les éléments de machines et les systèmes hydrauliques. Ses intérêts en recherche comprennent la détermination de gammes et de ressources en fabrication et en assemblage, la modélisation et la conception des produits pour l’ensemble de leur cycle de vie, le traitement des produits en fin de vie et la méthodologie de conception, tant dans le domaine de l’aérospatiale que dans ceux de l’automobile, du matériel informatique et de la microtechnique. Il est membre de l’Ordre des ingénieurs du Québec (OIQ) et du Centre interuniversitaire de recherche sur le cycle de vie des produits, procédés et services (CIRAIG).

Walery Wygowski est enseignant au Département de génie mécanique et au Service de la formation continue de l’École Polytechnique de Montréal. Il cumule plus de 40 ans d’expérience pédagogique en enseignement du génie mécanique dans plusieurs universités à travers le monde. Il a travaillé comme maître de conférences, puis comme professeur à l’Université technique d’État de Moscou Bauman (Russie); il a aussi été professeur à l’École normale supérieure technique de Laghouat (Algérie) ainsi que professeur et chef de la section fabrication à l’Institut Polytechnique Gamal A. Naser de Conakry (Guinée). Il a obtenu ses diplômes d'ingénieur mécanicien (1961) et de docteur ès sciences techniques (1966) de l’Université technique d’État de Moscou Bauman de même qu’un doctorat en sciences appliquées de l’École Polytechnique de Montréal (2005). Ses intérêts en recherche comprennent la conception, la fabrication et l’industrialisation de produits dans les domaines de l’aérospatiale, du nucléaire et d’autres industries de produits complexes. Il est l’auteur principal du livre Technologie des réacteurs nucléaires (publié en russe par Atomizdat, Moscou, en 1992) et du Dictionnaire français-russe – russe-français de la technologie de pointe (publié par ETS, Moscou, en 1997) qui comporte plus de 120 000 termes. Il a aussi élaboré les notes des cours Processus de fabrication mécanique, Technologie de construction mécanique et Éléments de machines de l’École Polytechnique de Montréal. Il est membre de l’Ordre des ingénieurs du Québec.

Avant-propos

Objectifs Lorsqu’on entend le mot « innovation », on pense souvent « nouveau produit ». Mais pour être compétitif, un industriel pense plutôt « amélioration de la productivité, de la qualité, de l’adaptabilité et de la responsa-bilité ». Cette innovation est donc parfois dans le produit, mais de manière beaucoup plus courante, pour un chef d’entreprise, elle est surtout dans les moyens de production, c’est-à-dire les procédés et les méthodes de fabrication de pointe.

Comment comprendre la réalité de la fabrication industrielle et du travail du bureau des méthodes? Comment transformer des matières premières minérales en produits fabriqués fonctionnels? Enfin, comment élaborer le dossier de fabrication à partir du dossier produit issu du bureau d’études? C’est ce que le lecteur apprendra en parcourant les différents chapitres de ce livre consacré à la fabrication et aux méthodes de pointe.

Le présent ouvrage répond à un besoin dans la formation en industrialisation du produit, une formation de spécialité en ingénierie, souvent négligée dans le cursus et pourtant essentielle à la formation. Il fournit les fondements théoriques et de nombreux exemples d’applications nécessaires à la bonne compréhension des disciplines suivantes :

• fabrication mécanique avancée; • assemblage et production automatisée; • fabrication assistée par ordinateur et machines-outils; • contrôle dimensionnel; • réingénierie des systèmes mécaniques.

Les objectifs recherchés sont avant tout pédagogiques : il s’agit de mettre à la disposition des étudiants en génie un ouvrage donnant les bases du cycle complet de l’industrialisation des produits, c’est-à-dire le passage des données de la maquette numérique du dossier produit au dossier de fabrication. C’est le travail qu’exécute en général le bureau des méthodes d’une entreprise. L’ouvrage, qui sera suivi d’un autre traitant d’études de cas, convient très bien aux ingénieurs de la pratique industrielle qui désirent compléter ou consolider leurs connaissances, qu’ils soient issus du domaine du génie mécanique, du génie industriel ou du génie des matériaux; il comporte une mine de renseignements pour tout ingénieur confronté aux problèmes d’industrialisation d’un produit et de fiabilité des machines de production.

Description Jusqu’à maintenant, il n’existait pas de livres en français couvrant l’ensemble de la fabrication, de l’éla-boration d’un brut à l’assemblage d’un produit. Non seulement ce livre propose-t-il une description de l’ensemble des procédés, mais il présente aussi, dans de nombreux cas, les moyens de calculer les principaux paramètres d’élaboration ou de contrôle des pièces.

L’ouvrage, divisé en deux tomes, a pour objet la fabrication industrielle et l’industrialisation des produits des génies mécanique et industriel. Dans le premier tome, l’introduction à la compétitivité industrielle et à l’importance de la seconde transformation des métaux constitue une entrée en matière et une sensibilisation aux grands enjeux de la survie d’une entreprise. L’analyse de la qualité d’un produit, l’introduction à ISO 9000 et la conception des gabarits de contrôle des pièces établissent un lien nécessaire entre la fonc-tionnalité numérique, la fabrication et la fonctionnalité réelle qui n’a rien de virtuel. Ce lien permet l’indis-pensable vérification de l’industrialisation du produit.

Toute fabrication de produit commence par un certain nombre de procédés d’obtention de pièces brutes. Ces pièces doivent avoir, à l’état brut, des formes qui dépendent étroitement de leur procédé d’obtention.

VI Avant-propos

Le lecteur apprendra à connaître les différentes technologies industrielles disponibles et les règles de concep-tion permettant de définir les formes des bruts et d’en calculer les dimensions et les tolérances.

Le comportement fonctionnel des pièces et l’apparence générale du produit imposent que les pièces soient finies, et parfois polies, à l’aide de procédés d’usinage. Les différents types de machines-outils, leur préci-sion et ses paramètres, les opérations d’usinage et les outils utilisés sont décrits en détail.

De même, le comportement fonctionnel des pièces, leur usure et leur fiabilité dépendent de leur conception et du soin apporté à leur fabrication. L’obtention d’un bon état de surface et la problématique de la fiabilité technologique des pièces et des machines-outils sont abordées dans une perspective d’amélioration continue de la qualité et de la fiabilité.

La compétitivité d’une entreprise industrielle exige une amélioration de la productivité, de la qualité, de l’adaptabilité et de la responsabilité vis-à-vis du public et des générations futures. Dans le deuxième tome, nous abordons donc la productivité, qui est certainement le paramètre dont on entend le plus parler à tous les échelons de l’activité publique et industrielle. Pour améliorer la productivité, il faut être capable de la mesurer et savoir comment l’accroître. Dans l’industrie, l’ingénieur se préoccupe du coût de fabrication, du coût de production, du prix de revient, ou coût unitaire, et du coût technologique, selon le contexte. Ce contexte-là est déterminé par la stratégie ou la tactique de l’entreprise. Nous présentons trois définitions appropriées aux notions qui reflètent les difficultés de l’estimation des coûts.

Ayant abordé les procédés d’usinage, le lecteur voudra approfondir ses connaissances et s’enquérir des montages d’usinage disponibles pour positionner une pièce et la brider. L’ouvrage l’amènera à comprendre les fondements de l’isostatisme et, pour les cas limites, le calcul des forces de serrage.

Vient ensuite la question de la séquence des opérations : dans quel ordre et au cours de quelle phase une surface donnée doit-elle être usinée? C’est là le domaine des processus d’usinage et de l’analyse de fabri-cation. À l’aide des renseignements contenus dans l’ouvrage, le lecteur pourra établir la charte de tolérances lui permettant de calculer les dimensions des cotes opérationnelles.

Enfin, les pièces doivent être assemblées; c’est l’objet de l’avant-dernier chapitre du livre, dans lequel il est surtout question des procédés de soudage. Quant au dernier chapitre, il amènera le lecteur à parcourir un domaine, qui tout en sortant parfois du génie mécanique, traite malgré tout des procédés d’élaboration d’une pièce ou de sa finition. Il y sera question des procédés d’usinage non conventionnels, des revêtements par plasma et de l’ébavurage.

Chacun des chapitres se termine par une auto-évaluation qui contient des questions ou des problèmes accompagnés ou non de réponses partielles ou complètes, avec ou sans commentaires.

Note : À moins d'indications contraires, les unités utilisées dans les figures et tableaux sont des millimètres.

Remerciements

Cet ouvrage n’a pu être conçu que grâce à l’appui et au travail de nombreux professeurs et enseignants qui se sont succédé dans l’enseignement des cours Procédés de fabrication mécanique et Fabrication et métaux; nous pensons en particulier à MM. Claude Morel et Luc Baron, qui ont contribué à l’élaboration, à l’amélioration et à la correction des notes de ces cours, mais aussi à nos collègues du Laboratoire de recherche en fabrication virtuelle pour le soutien qu’ils nous ont apporté, tant par leur aide que par leurs conseils et leurs idées.

Les auteurs tiennent aussi à remercier M. André Wygowski pour la préparation des figures et son aide désintéressée dans la résolution de problèmes informatiques de toute nature.

Enfin, les auteurs remercient toute l’équipe des Presses et ses collaborateurs, dont Mme Nicole Blanchette, qui a effectué la révision et la correction d’épreuves du texte avec beaucoup de professionnalisme, Mme Martine Aubry, qui a fait la saisie des corrections et la mise en pages du manuscrit et, bien sûr, Mme Luce Venne-Forcione chargée, entre autres, de notre projet; elle nous a conseillé et a effectué les révisions des révisions, tout en essayant de concilier nos frustrations et les raisons d’État de l’édition, mais aussi les multiples notes manuscrites des réviseurs et des auteurs.

Table des matières

Notes biographiques ........................................................................................................................................ III Avant-propos .................................................................................................................................................... V Remerciements .............................................................................................................................................. VII Liste des principaux symboles et abréviations ............................................................................................. XIII Introduction ................................................................................................................................................... XV

Chapitre 1 Fabrication industrielle ............................................................................................................... 1 1.1 Introduction ............................................................................................................................................... 1 1.2 Compétitivité des entreprises .................................................................................................................... 1 1.2.1 Qualité ............................................................................................................................................ 3 1.2.2 Productivité .................................................................................................................................... 5 1.2.3 Adaptabilité .................................................................................................................................... 5 1.2.4 Responsabilité environnementale ................................................................................................... 7 1.3 Phases d’élaboration d’un produit............................................................................................................. 8 1.3.1 Service commercial (phases 1 et 5) ................................................................................................ 9 1.3.2 Bureau d’études (phase 2) ............................................................................................................ 11 1.3.3 Bureau des méthodes (phase 3) .................................................................................................... 12 1.3.4 Production (phase 4) .................................................................................................................... 15 1.3.5 Flux d’activités dans l’entreprise ................................................................................................. 16 1.4 Dossier produit ........................................................................................................................................ 19 1.4.1 Dessins de définition .................................................................................................................... 19 1.4.2 Nombre de pièces commandées ................................................................................................... 20 1.4.3 Délais de fabrication .................................................................................................................... 21 1.4.4 Travail en succession ou travail en parallèle ................................................................................ 21 1.4.5 Matière d’œuvre ........................................................................................................................... 22 1.4.6 Présentation des bruts ................................................................................................................... 22 1.5 Rôles du bureau des méthodes ................................................................................................................ 24 1.6 Conclusion .............................................................................................................................................. 27 Autoévaluation ................................................................................................................................................. 28

Chapitre 2 Modèle qualité ............................................................................................................... 31 2.1 Introduction ............................................................................................................................................. 31 2.2 Concept de qualité totale ......................................................................................................................... 31 2.3 Modèle qualité et techniques associées ................................................................................................... 33 2.3.1 AMDEC ....................................................................................................................................... 38 2.3.2 Méthode de Taguchi ..................................................................................................................... 40 2.3.3 Qualité six sigma .......................................................................................................................... 42 2.4 Normes ISO 9000 ................................................................................................................................... 43 2.5 Structure de la série ISO 9000 ................................................................................................................ 43 2.5.1 ISO 9001:2000 et ISO 9004:2000 ................................................................................................ 43 2.5.2 Documentation ............................................................................................................................. 45 2.6 Choix d’un modèle qualité ...................................................................................................................... 45 2.7 Implantation d’un modèle qualité ........................................................................................................... 46 2.7.1 Manuel qualité (ISO 9001:2000, paragraphe 4.2.2) ..................................................................... 47 2.7.2 Procédures organisationnelles et responsabilités ......................................................................... 47 2.7.3 Instructions de travail ................................................................................................................... 48 2.7.4 Échéancier .................................................................................................................................... 49

X Table des matières

2.8 Certification ............................................................................................................................................ 50 2.8.1 Registraires .................................................................................................................................. 50 2.8.2 Processus de certification ............................................................................................................ 51 2.9 Conclusion .............................................................................................................................................. 54 Autoévaluation ................................................................................................................................................ 55 Réponses ......................................................................................................................................................... 56

Chapitre 3 Gabarit ....................................................................................................................................... 57 3.1 Introduction ............................................................................................................................................ 57 3.2 Norme de tolérancement géométrique.................................................................................................... 57 3.2.1 Lacunes du tolérancement dimensionnel ..................................................................................... 58 3.2.2 Classes et symboles ..................................................................................................................... 60 3.2.3 Système de références ................................................................................................................. 61 3.2.4 État virtuel et état résultant .......................................................................................................... 63 3.2.5 Règles d’interprétation ................................................................................................................ 66 3.3 Construction des gabarits ....................................................................................................................... 69 3.3.1 Classification ............................................................................................................................... 69 3.3.2 Calcul de calibres tolérancés avec ajout d’une surépaisseur d’usure

pour le contrôle dimensionnel ..................................................................................................... 70 3.3.3 Calcul de calibre (gabarit) tolérancé fonctionnel de position (calibre d’assemblabilité) ............................................................................................................ 75 3.4 Conclusion .............................................................................................................................................. 88 Autoévaluation ................................................................................................................................................ 88 Réponses ......................................................................................................................................................... 90

Chapitre 4 Procédés d’obtention d’une pièce brute .................................................................................. 95 4.1 Introduction ............................................................................................................................................ 95 4.2 Choix du procédé d’obtention d’une pièce brute ................................................................................... 95 4.3 Laminage ................................................................................................................................................ 96 4.4 Forgeage libre ....................................................................................................................................... 100 4.5 Estampage à chaud et autres opérations de déformation ...................................................................... 107 4.5.1 Technologie des bruts estampés ................................................................................................ 107 4.5.2 Règles applicables aux bruts estampés ...................................................................................... 112 4.6 Roulage et fluotournage ....................................................................................................................... 116 4.7 Formage à haute énergie ....................................................................................................................... 120 4.7.1 Formage par explosion .............................................................................................................. 120 4.7.2 Formage électrohydraulique ...................................................................................................... 121 4.7.3 Formage électromagnétique ...................................................................................................... 123 4.8 Moulage ................................................................................................................................................ 125 4.8.1 Moulage en sable ....................................................................................................................... 129 4.8.2 Moulage en carapace (croning) ................................................................................................. 131 4.8.3 Moulage à la cire perdue ........................................................................................................... 136 4.8.4 Moulage en coquille .................................................................................................................. 142 4.8.5 Moulage sous pression .............................................................................................................. 144 4.8.6 Règles simples de conception de pièces moulées ...................................................................... 148 4.8.7 Surépaisseur d’usinage et tolérancement du brut ...................................................................... 152 4.9 Conclusion ............................................................................................................................................ 159 Autoévaluation .............................................................................................................................................. 160 Réponses ....................................................................................................................................................... 163

Chapitre 5 Procédés d’usinage conventionnels ....................................................................................... 167 5.1 Introduction .......................................................................................................................................... 167 5.2 Matériaux de la partie active des outils ................................................................................................ 167

Table des matières XI

5.3 Tournage ............................................................................................................................................... 170 5.4 Fraisage ................................................................................................................................................. 174 5.5 Perçage et alésage ................................................................................................................................. 179 5.6 Filetage et taraudage ............................................................................................................................. 185 5.6.1 Filetage ....................................................................................................................................... 186 5.6.2 Taraudage ................................................................................................................................... 188 5.6.3 Machines-outils .......................................................................................................................... 189 5.7 Brochage ............................................................................................................................................... 190 5.8 Taillage des engrenages ........................................................................................................................ 193 5.9 Rectification .......................................................................................................................................... 199 5.10 Conclusion ............................................................................................................................................ 203 Autoévaluation ............................................................................................................................................... 204 Réponses ........................................................................................................................................................ 204

Chapitre 6 Précisions de fabrication et d’assemblage ............................................................................. 207 6.1 Introduction ........................................................................................................................................... 207 6.2 Précision d’usinage ............................................................................................................................... 207 6.2.1 Précisions dimensionnelle et géométrique ................................................................................. 208 6.2.2 Mesure de la précision ............................................................................................................... 215 6.2.3 Estimation de la précision par méthode statistique .................................................................... 223 6.2.4 Erreurs primaires de la précision d’usinage ............................................................................... 230 6.2.5 Stratégie de diminution des erreurs primaires d’usinage ........................................................... 287 6.2.6 Modèles de calcul de la précision d’usinage .............................................................................. 294 6.3 Précision en prototypage rapide ............................................................................................................ 312 6.4 Précision d’assemblage ......................................................................................................................... 314 6.5 Conclusion ............................................................................................................................................ 329 Autoévaluation ............................................................................................................................................... 329 Réponses ........................................................................................................................................................ 336

Chapitre 7 État de surface et facteurs appropriés ........................................................................ 337 7.1 Introduction ........................................................................................................................................... 337 7.2 État de surface ....................................................................................................................................... 337 7.2.1 Influence de l’état de surface sur le fonctionnement des pièces ................................................ 342 7.2.2 Influence des facteurs technologiques sur l’état de surface ....................................................... 350 7.2.3 Mesure de l’état de surface et de la contrainte résiduelle .......................................................... 360 7.3 Augmentation technologique de la durée de vie des produits ............................................................... 365 7.4 Mise au point pour la fiabilité des produits spéciaux ............................................................................ 367 7.4.1 Complexité de conception des produits spéciaux ...................................................................... 367 7.4.2 Stratégie moderne ...................................................................................................................... 369 7.5 Conclusion ............................................................................................................................................ 374 Autoévaluation ............................................................................................................................................... 375 Réponses ........................................................................................................................................................ 377

Annexe A Présentation des aciers finis à froid............................................................................................. 379 Annexe B Précision d’usinage et qualité ...................................................................................................... 387 Bibliographie ................................................................................................................................................ 419 Index ............................................................................................................................................................. 425



Liste des principaux symboles et abréviations

Symbole ou abréviation

Définition

Δ1 Méthode de sommation arithmétique des distorsions de cotes (± Worst Case) AC Approche basée sur la charte de tolérances et la méthode EP avec la sommation probabiliste

des erreurs primaires AF Assemblage automatique par machine à transfert libre AFNOR Association française de normalisation AI Assemblage automatique par machine à indexage synchronisé AISI American Iron and Steel Institute ANSI American National Standards Institute AP Assemblage programmable par unités de travail multispécialisées AR Acier rapide / Assemblage robotisé ARS Acier rapide supérieur AS Assemblage symbiose (manuel/automatique) ASME American Society of Mechanical Engineers BD Balance de dimensions BÉ Bureau d’études BM Bureau des méthodes CALS Normes en matière d’échanges de données établies par le United States Department of

Defense (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) CAO Conception assistée par ordinateur CN Commande numérique CNC Commande numérique par calculateur Co Cote outil CSA Association canadienne de normalisation (Canadian Standard Association; ancienne

appellation française : ACNOR) CT Classe de tolérances de moulage CU Compensation d’usure DI Dépenses indirectes de production ou frais généraux indirects (y compris les dépenses

administratives et d’amortissement) E Module d’Young EM Méthode basée sur le calcul d’écart minimal quadratique du contour réel par rapport au

contour moyen EP Méthode basée sur l’analyse des erreurs primaires avec la sommation probabiliste des erreurs

aléatoires et systématiques, ainsi que la sommation ±/Méthode de sommation probabiliste des erreurs primaires

ÉV État virtuel F Cote de dessin de définition FAO Fabrication assistée par ordinateur FGL Fonte à graphite lamellaire FGLA Fonte à graphite lamellaire à faible résistance

XIV Liste des principaux symboles et abréviations

FGS Fabrication en grande série FGV Fabrication à grande vitesse/Fraisage à grande vitesse FM Fabrication de masse FPS Fabrication en petite série FS Fabrication en série FU Fabrication unitaire HB Dureté Brinell (Brinell Hardness) HP (Machine-outil) à haute précision HRC Dureté Rockwell (Rockwell Hardness) HV Dureté Vickers (Vickers Hardness) ISO Organisation internationale de normalisation (International Organization for

Standardization) IT Intervalle de tolérance LMC Minimum de matière (Least Material Condition) LOM Objet manufacturé laminé (Laminated Object Manufacturing) LT Lien technologique MA Surépaisseur d’usinage MFCS Moteur-fusée à combustion solide MMC Maximum de matière (Maximum Material Condition) MMT Machine à mesurer tridimensionnelle MNP Moule non permanent MO Machine-outil MOCN Machine-outil à commande numérique MOD Main-d’œuvre directe MP Moule permanent P Pénalisation PO (Machine-outil) à précision ordinaire PR Prix de revient / Prototypage rapide PS Paramètre de sortie Qu Qualité R Cote de dessin du brut RFS Sans égard à la cote (Regardless of Feature Size) SA Sous–assemblage SAE Society of Automotive Engineers SAS Système d’assemblage SR Surface de référence ST Système technologique STL Format de fichier basé sur une facettisation des surfaces par des triangles orientés vers

l’extérieur de la matière et jointifs bord à bord (Stereolithography) TD Tolérance dimensionnelle TF Tolérance de fabrication TG Tolérance géométrique TG(F) Tolérance géométrique de forme TG(P) Tolérance géométrique de position relative TTh Traitement thermique UGV Usinage à grande vitesse VD Méthode basée sur le calcul du vecteur du centre de masse du contour réel

Introduction

L’expression « procédés de fabrication mécanique » désigne les moyens mécaniques imaginés et mis en œuvre par l’homme pour transformer, par le travail, la matière en produits utiles. On peut facilement concevoir que l’homme exploita d’abord des moyens manuels, d’où le terme « manufacturer » (de manus, « main » et factus, « faire »), employé aujourd’hui pour désigner le fait de fabriquer des biens avec des moyens mécaniques.

L’évolution dans ce domaine, tout comme dans les autres sphères de l’activité humaine, fut lente et hésitante. Ce n’est qu’au cours du XVIIIe siècle, à l’ère de la révolution industrielle, que la mécanisation, puis l’automatisation des procédés de fabrication, tels que nous les connaissons de nos jours, ont réellement commencé à s’accélérer. Aujourd’hui, l’éventail des procédés de fabrication et des matériaux, qui continue d’ailleurs à s’élargir, est tellement vaste que l’exploitation rationnelle des uns et des autres, de même que celle de la force ouvrière, au sens noble du terme, nécessite une planification rigoureuse si l’on veut en optimaliser le rendement. C’est au bureau des méthodes qu’incombe généralement cette responsabilité.

Les machines, avec lesquelles on fabrique les produits, coûtent de plus en plus cher, ainsi que la main-d’œuvre qui les utilise. Les machines se compliquent grandement, elles possèdent plus d’axes, elles ont des commandes numériques et sont souvent équipées d’appareillage automatique coûteux, tels les changeurs d’outils, les évacuateurs de copeaux, etc. Il est donc important d’immobiliser ces systèmes de production et cette main-d’œuvre le moins de temps possible. Pour ce faire, il faut faire subir à une pièce le nombre minimal d’opérations de montage/démontage sur des machines différentes. Le bureau des méthodes va jouer un rôle fondamental à cet égard.

Au bureau des méthodes, le travail s’effectue selon les principes et les règles de l’organisation scientifique du travail (OST). Science industrielle de la production optimale, l’OST vise à économiser la santé des travailleurs et à obtenir des productions de la meilleure qualité possible pour le coût le plus économique possible. Cette science s’est constituée à partir : • des principes et des méthodes de travail énoncés par les savants des XVIe et XVIIe siècles; • des modèles de travail scientifique utilisés par les chercheurs des XVIIIe et XIXe siècles, qui conduisirent à

l’énoncé des principes et des règles particulières au domaine industriel; • des connaissances industrielles que la mise en pratique méthodique de ces règles et principes par les

industriels depuis la fin du XIXe siècle a permis d’accumuler.

Les principaux personnages de l’histoire qui contribuèrent soit directement, soit indirectement, à l’édifica-tion de cette science sont :

• Eli Whitney (1765-1825). Cet Américain, inventeur entre autres de la machine à égrener le coton, fut le premier en 1798, semble-t-il, à reconnaître l’importance d’établir une méthode quelconque assurant un degré raisonnable de précision et d’uniformité des pièces fabriquées en plusieurs exemplaires. Il posait ainsi les bases de l’interchangeabilité des pièces mécaniques. Cela lui permit d’obtenir un contrat du gouvernement américain pour fabriquer 10 000 fusils. Ce fut probablement la première grande série de pièces interchangeables.

• Charles Renard (1847-1905). Cet officier et ingénieur militaire français imagina une série de nombres à utiliser, de préférence à tous les autres, dans le but de rationaliser et de standardiser les équipements et les outillages. C’est ce qu’on appelle les séries « Renard ».

• F. W. Taylor (1856-1915). Ce chercheur américain consacra 25 ans de sa vie à l’étude de la coupe des métaux dont il dégagea un certain nombre de lois qui régissent la vitesse de coupe, la nature, la forme et les conditions d’emploi des outils. Il découvrit les aciers rapides au tungstène. Il fit intervenir dans ses

XVI Introduction

expériences, comme source d’économie, un nouveau facteur : la vitesse d’exécution, et lutta contre les multiples causes de gaspillage du temps. Il énonça le principe suivant qu’il appliqua dans ses travaux :

Diviser une difficulté globale en plusieurs difficultés élémentaires, puis étudier une à une ces difficultés élémentaires.

De plus, il énonça cinq autres principes :

1. Pour chaque travail, étudier une technique rationnelle remplaçant les anciennes méthodes empiriques. 2. Transmettre systématiquement cette technique à l’exécutant pour qu’il l’applique intégralement. 3. Séparer la fonction préparation de celle d’exécution du contrat. 4. Spécialiser chacune de ces fonctions. 5. Répartir équitablement les bénéfices résultant de l’augmentation du rendement.

• F. Gilbreth (1868-1924). Les travaux de cet autre chercheur américain sont à la base de l’étude de la simplification du travail. Avec la collaboration de son épouse, il se consacra à l’étude des mouvements des travailleurs afin d’aboutir au meilleur rendement possible avec le minimum de fatigue. Ils énoncèrent les trois principes suivants relatifs à la formation des apprentis :

1. Les mouvements sont les premiers éléments à considérer pour l’apprentissage d’un métier manuel quelconque; 2. Dès le début, il faut enseigner avec méthode et exiger les mouvements corrects; 3. La qualité correcte est le résultat de mouvements corrects exécutés à la vitesse standard.

• Henry Ford (1863-1947). Ce remarquable industriel américain, fondateur de la plus grande fabrique d’automobiles du monde, la « Ford Motor Company », et inventeur de l’automobile qui porte son nom, fut le premier à appliquer de façon intensive les principes et les règles de l’OST. Le plan d’organisation de ses usines, célèbre dès le début sous le nom de « système Ford », s’est particulièrement distingué par :

1. la rationalisation poussée à l’extrême du travail (travail à la chaîne); 2. un aménagement des salaires destiné à accroître, autant que possible, le rendement (association des ouvriers aux bénéfices, travail des malades et des infirmes); 3. l’introduction de la semaine de cinq jours de huit heures chacun.

Cette courte présentation, outre son aspect historique, avait surtout comme objectif d’illustrer l’état d’esprit dans lequel il convient de réaliser le travail en bureau des méthodes. Assurément, retenir des noms, savoir qui a fait quoi ou se rappeler qui a énoncé tel principe ou telle règle a une certaine importance, mais ce sont les principes, les règles et les méthodes de travail scientifique que les savants et industriels ont énoncés et mis en pratique qui constituent la ligne directrice de l’organisation scientifique du travail à mettre en œuvre.

Organiser scientifiquement le travail, c’est identifier, inventorier, grouper, choi-sir, ordonner, spécifier pour fabriquer et pour contrôler, dans un temps minimal, à un coût minimal et à la qualité imposée.

Le passage à la fabrication industrielle a aussi été caractérisé par un effort de systématisation des expériences manufacturières. C’est ce à quoi se sont employés certains chercheurs, dont I. Dwigoubski, professeur à l’Université de Moscou, dans son livre Bases initiales de technologie publié en 1807.

Les découvertes de la révolution industrielle ont fait bondir la production depuis le milieu du XIXe siècle, tant du point de vue du nombre de biens produits que de celui de leur diversité. Mais, si les avantages de ce nouveau mode de production et du mode de consommation qui s’est ensuivi sont nombreux au regard du confort et de la simplification de la vie quotidienne, on prend de plus en plus conscience d’un certain nombre

Introduction XVII

de leurs impacts latéraux, lesquels viennent jeter quelques ombres sur ce tableau à première vue idéal. En effet, les précurseurs de l’OST, dont l’objectif était d’augmenter la productivité, la qualité des biens produits et l’adaptabilité des moyens de production, sous-pondéraient les conséquences environnementales et sociales du système qu’ils préconisaient.

Depuis les années 1960, le mouvement écologiste – suivi de la communauté scientifique – a mis en lumière la détérioration de l’environnement planétaire due à notre mode de vie et à nos pratiques industrielles, qui pourrait même compromettre l’avenir à long terme de la Terre et de la vie qu’elle héberge. Par ailleurs, les grandes inégalités sociales entre les États du nord et ceux du sud, mais également les inégalités chroniques qui se creusent à l’intérieur même des États développés, ne cessent d’être médiatisées et dénoncées. Les consommateurs, de plus en plus sensibilisés aux répercussions de leurs habitudes d’achat sur l’environne-ment et le développement des pays, désirent faire des choix responsables non seulement écologiquement, mais également socialement.

La réglementation évolue, elle aussi, dans le sens d’un développement plus respectueux des environnements humains et naturels. Par exemple, les grands émetteurs finaux de gaz à effet de serre (les industries qui en produisent plus de 105 t/an), tels que les entreprises des secteurs de la fabrication, les centrales thermiques et les industries minières, pétrolières et gazières, sont actuellement tenus de réduire leurs émissions polluantes, mais ces exigences s’étendront petit à petit à l’ensemble des entreprises.

Il est alors impératif de faire du développement durable une part intégrante de l’organisation de la production industrielle. Un développement peut être qualifié de durable s’il reconnaît l’interdépendance des différentes sphères de l’activité humaine et s’il respecte les limites d’assimilation et de régénération de nos ressources sociales et naturelles. Le développement durable tend vers un équilibre entre les moyens que l’on prend pour subvenir aux besoins de tous et les impacts qu’ont ces façons de faire sur les plans environnemental, social et économique.

Aussi, l’ingénieur se doit-il aujourd’hui de recommander des équipements et des procédés qui consomment moins d’énergie et émettent moins de polluants dans l’atmosphère, dans les eaux et dans le sol, tout en tenant compte des aspects sociaux et économiques.

Pour toutes les raisons évoquées ci-dessus, les entreprises doivent adapter leur production à ce courant ascen-dant d’une nouvelle consommation. La fabrication ne saurait échapper à ces changements. En tenant compte de l’état actuel du secteur manufacturier, on peut formuler une définition de la technologie de pointe (TP) :

La technologie de pointe fait appel à de nouveaux procédés de fabrication et à de nouvelles machines, auxquels sont associées la technologie de l'information, la micro-électronique et de nouvelles méthodes organisationnelles inhérentes à ces processus.

La TP constitue un atout pour les entreprises qui cherchent à atteindre des objectifs de performance (productivité, qualité, coût) à l'échelle internationale dans les conditions de mondialisation des marchés.

Chapitre 1

Fabrication industrielle

1.1 INTRODUCTION La compréhension de la fabrication industrielle et du travail du bureau des méthodes passe par la connais-sance des facteurs fondamentaux qui influent sur la compétitivité des entreprises, des phases d’élaboration d’un produit, du contenu du dossier produit ainsi que du rôle et des défis du bureau des méthodes. Dans ce chapitre, nous examinerons chacun de ces aspects de la fabrication industrielle.

1.2 COMPÉTITIVITÉ DES ENTREPRISES En raison de la mondialisation des marchés, la compétitivité d’une entreprise est devenue un facteur déter-minant de son succès ou de son échec.

Par compétitivité, on entend la capacité d’une entreprise de faire face aux autres entreprises, lors de la production et de la vente d’un produit à un marché. Bien entendu, c’est la demande du marché qui déter-minera directement le succès ou l’échec commercial d’un produit. En général, on attribue ce succès ou cet échec à au moins six facteurs fondamentaux :

1. la qualité; 2. la productivité; 3. l’adaptabilité; 4. la responsabilité environnementale; 5. l’adéquation du produit; 6. la mise en marché.

Une entreprise compétitive maîtrise bien ces six facteurs fondamentaux. L’adéquation du produit, c’est la capacité du cahier des charges de répondre à un besoin réel du marché. La mise en marché permet de faire connaître le produit et contrôle jusqu’à un certain point la perception que le marché a du produit. Ces deux facteurs ne sont habituellement pas sous la responsabilité directe des ingénieurs. En revanche, les quatre premiers le sont et nous en ferons l’étude dans cette section.

La compétitivité d’une entreprise donnée se mesure en comparaison de celle des autres entreprises qui travaillent dans le même domaine (fig. 1.1). L’acheteur, que ce soit le consommateur final ou le donneur d’ordre, est roi. C’est lui qui détermine le produit ou le service qu’il veut acheter. Pour une gamme de prix donnée, il exige : • un niveau de qualité élevé, • des délais de livraison courts, • des produits plus ou moins personnalisés.

Pour assurer sa compétitivité, l’entreprise doit répondre adéquatement aux questions posées à la figure 1.2 lors de la conception d’un produit (une automobile dans l’exemple présenté).

La plupart des produits offerts sur le marché actuel font appel à des technologies ou à des matériaux qui étaient encore inexistants il y a 30 ans (par exemple, les matériaux composites, les transmissions optiques, le prototypage rapide).

2 Chapitre 1

Il y a deux voies possibles pour la conception d’un nouveau produit : • on peut améliorer un produit existant afin de parvenir à satisfaire les besoins du marché. C’est la

modification d’un produit A de la figure 1.3a; • on peut concevoir un nouveau produit qui surpasse la performance du produit A existant en considérant le

besoin global pour obtenir une réponse plus pertinente. C’est le produit B de la figure 1.3a.

Figure 1.1 Compétitivité de l’entreprise.

Figure 1.2 Questions et solutions lors de la conception d’un produit.

Fabrication industrielle 3

Prof

its

ImplantationMaturité

Croissance Saturation

R & Ddu produit A

Produit A

Modification de produit A

Décroissance

R & D du produit B

TempsProduit B

(a)

Compétitivitéd’une

entreprise

Qualité

Délais Coûts(respecter, voire diminuer) (comprimer)

(assurer un niveau élevé)

(b) Figure 1.3 Conception d’un nouveau produit et compétitivité d’une entreprise : a) cycle de vie d’un pro-

duit; b) triangle qualité-délais-coûts.

1.2.1 Qualité

La défaillance d’un produit peut avoir des conséquences très graves. À ce titre, on peut mentionner les catastrophes aériennes ou maritimes, les accidents dans les centrales électriques et nucléaires, dans les usines chimiques, etc. La qualité d’un produit se mesure de différentes façons et sous différents aspects. Dans cet ouvrage, nous définissons la qualité comme la conformité instantanée du produit réalisé avec les spécifi-cations du cahier des charges pour un prix donné. Le succès potentiel du produit dépend donc très fortement des spécifications du cahier des charges. Le succès effectif de ce même produit résultera non seulement de la conformité du produit avec les spécifications, mais aussi d’une foule de facteurs tels que le contexte économique, la perception des clients et les nouveaux produits de la concurrence. Par exemple, un sondage mené par l’Association canadienne des automobilistes (Canadian Automobile Association, CAA) en 1991 a révélé que les constructeurs automobiles pouvaient obtenir des taux d’insatisfaction très faibles pour leurs meilleurs modèles et, en même temps, des taux d’insatisfaction élevés pour le service après-vente de leurs concessionnaires et pour d’autres modèles (tabl. 1.1).

4 Chapitre 1

Tableau 1.1 Taux d’insatisfaction moyen selon un sondage national de la CAA en 1991

Constructeurs automobiles

Taux d’insatisfaction

Véhicules Service après-vente (moyenne)

Ensemble des modèles (moyenne)

Meilleurs modèles (0 % pour tous)

Pires modèles (moyenne)

Chrysler 5,2 % Fifth Avenue Dodge 2000GTX Dodge Spirit

Eagle Medallion 20,0 %

12,9 %

Ford 6,3 % Festiva Probe

Camion F-100-350

11,0 %

15,6 %

GM 4,4 % Chevrolet Monte Carlo Buick Skyhawk

Buick Regal Camion

13,0 %

13,7 %

Honda 2,0 % Acura Legend Prelude

Accord 3,0 %

5,4 %

Toyota 2,7 % Cressida MR2 Previa

Camion 13,0 %

7,2 %

Volkswagen 2,9 % Fox Passat Golf

Jetta 2,0 %

10,0 %

La qualité n’est donc pas reliée au degré de sophistication technique du produit ou à son seul prix, mais plutôt à sa conformité absolue avec les spécifications du cahier des charges pour un prix donné. Il faut par conséquent allier prix et qualité afin d’atteindre le meilleur rapport qualité-prix. Le manque de qualité coûte cher, mais ce coût est difficile à évaluer. On peut tenir compte du coût des pièces rejetées ou retouchées dans ce calcul. Toutefois, la perte de clientèle et de marché due à la non-qualité est plus difficile à estimer. Cette perte est généralement très importante et extrêmement lourde de conséquences.

La qualité constitue un facteur fondamental difficile à maîtriser face à une inertie ambiante dans le monde industriel et des affaires. Elle est affaire de culture et non de règle. Certaines compagnies traitent encore la qualité comme un mal nécessaire. L’importance accordée aux critères de qualité dans les catalogues de produits n’est pas toujours proportionnelle aux applications réelles qui se retrouvent sur les sites de production.

Selon le triangle qualité-délais-coûts (fig. 1.3b), il faut : • respecter la qualité des produits et les coûts de fabrication :

– par l’implantation de nouvelles technologies, – par l’utilisation accrue du matériel informatique (par exemple, les microprocesseurs);

Fabrication industrielle 5

• respecter les délais dans tous les services, de la conception au service après-vente. À cet égard, l’approche traditionnelle par constitution de stocks de produits est insuffisante. Il convient de mettre en place des méthodes d’organisation moderne (par exemple, Kanban–juste à temps).

1.2.2 Productivité

La productivité est certainement le facteur fondamental dont on entend le plus parler à tous les échelons de l’activité publique : industrie, politique, enseignement, médias d’information, etc. Pourtant, on n’emploie ce terme couramment que depuis les années 1950. Il fait partie du vocabulaire tant des économistes que des ingénieurs. La productivité est un concept scientifique sans nationalité et sans couleur politique. Une entreprise annonce qu’elle se modernise pour accroître sa productivité, une autre licencie des employés pour la même raison. Les politiciens et les représentants de l’industrie nous rappellent régulièrement que la survie des entreprises est liée aux gains de productivité.

Toutefois, une baisse des prix attribuable à un gain de productivité ne constitue qu’un des éléments de la compétitivité, la qualité des produits en étant un autre (fig. 1.4). En effet, on constate que dans bien des domaines, les produits asiatiques sont généralement moins chers et les produits allemands, plus chers. Cependant, certains consommateurs (particuliers et entreprises) préfèrent les produits allemands en raison des spécifications élevées du cahier des charges, malgré leurs prix élevés.

Figure 1.4 Comparaison de la qualité et de la productivité de différentes zones économiques mondiales.

1.2.3 Adaptabilité

Dans les dernières décennies, les décisions d’affaires des industries manufacturières ont visé les économies d’échelle au détriment de l’adaptabilité. La conjonction de ce processus et des contraintes de la compétitivité internationale a entraîné un renforcement de la spécialisation des tâches. En période de forte croissance de la demande, le système de production tel qu’il a évolué était efficace. L’espérance de vie de plus en plus courte des produits modernes oblige toutefois à une constante et rapide évolution des moyens de production. Aujourd’hui, on cherche à élever le niveau de productivité des installations, à abaisser les coûts et à accroître la souplesse des lignes de production existantes. Or, cette souplesse ne peut ni s’improviser ni se subir, mais doit au contraire être l’objet de spécifications précises. L’entreprise doit devenir moins vulnérable aux changements conjoncturels et structurels. L’achat de nouvelles formes d’équipements automatisés risque

6 Chapitre 1

cependant d’épuiser une grande partie des ressources d’une entreprise dans le développement si le renouvellement des produits se fait à un rythme trop rapide. On aborde ici le problème des variantes d’un même produit par la modularisation de ce dernier. L’adaptabilité comprend donc :

• la capacité de concevoir des produits modulaires en plusieurs variantes; • la capacité de produire à un instant donné plusieurs variantes d’un produit donné (en général par des

combinaisons de modules de base); • la possibilité d’adapter en permanence la capacité de production aux fluctuations du marché, la capacité

de faire évoluer dans le temps les moyens de production (fig. 1.5). Alors qu’un système de production spécialisé a une durée de vie équivalente à celle du produit pour lequel il a été bâti, un système flexible peut s’adapter à la production de 1 à n produits.

Bén

éfic

es

Figure 1.5 Comparaison entre les cycles de vie de n produits et le type de système de production.

On peut remarquer que cette adaptabilité, que l’on exige de plus en plus au regard des moyens de production, est tributaire de la conception du produit, d’où la nécessité absolue d’une « intégration » de la conception et de la production. Il est évident que cette adaptabilité implique des modifications fondamentales des structures internes des entreprises et remet en cause, en particulier, les structures pyramidales. Une entreprise moderne, pour survivre, doit optimiser toutes les ressources humaines et motiver tous ses acteurs.

Un produit, ou un système de production, répond à un certain nombre de fonctions de base. Il est toujours intéressant, lors de la conception, d’essayer de faire coïncider modules et fonctions. Il est évident qu’il faut bien faire apparaître les fonctions principales (sous forme d’un schéma-bloc par exemple), ce qui n’est pas toujours facile. Si l’on prend l’exemple d’une souris d’ordinateur (fig. 1.6), on peut faire apparaître quatre fonctions de base et réaliser ces fonctions au moyen de quatre modules correspondants. Ainsi, le choix d’une nouvelle technologie permet de ne modifier qu’un module sans tout remettre en cause.

On peut ainsi, dès la conception, prévoir les modules sensibles aux technologies à évolution rapide (maté-riaux, électronique, style, etc.) et ainsi éviter de remettre en question l’ensemble de l’étude à chaque chan-gement. Cette approche se pratique couramment dans l’industrie automobile.

Chapitre 2

Modèle qualité

2.1 INTRODUCTION La production industrielle de produits et de services nécessite une structure organisationnelle efficace et une conformité aux normes généralement reconnues.

En 1987, le comité technique 176 de l’Organisation internationale de normalisation, qui porte en anglais le nom de International Standards Organisation (ISO), a publié la première version de la série 9000 des normes ISO sur la qualité. Conçues originalement pour harmoniser l’immense éventail de normes nationales et internationales concernant les modèles qualité, ces normes donnent les orientations pour la sélection, la mise en place et le maintien d’un système qualité. Le comité regroupait au départ les organismes nationaux de normalisation de cinq pays, soit : • l’Association française de normalisation (AFNOR), France; • l’American National Standards Institute (ANSI), États-Unis; • le British Standards Institute (BSI), Angleterre; • le Nederlands Normalisatie Institute (NNI), Pays-Bas; • l’Association canadienne de normalisation (Canadian Standards Association, CSA), Canada.

Depuis, plus d’une centaine de pays, notamment les cinq membres du comité 176 ainsi que le Japon, l’Allemagne, la Suède, etc., ont fait des normes ISO 9000 leurs normes nationales. Ces normes sont de plus en plus présentes sur le marché mondial pour garantir la qualité des biens et des services dans les relations fournisseurs-clients. On estime qu’à la fin de décembre 2005, au moins 776 608 certificats ISO 9001:2000 avaient été délivrés dans 161 pays et économies.

Dans ce chapitre, nous définirons en premier lieu le concept de qualité totale, ou système qualité. Nous verrons ensuite les niveaux de modèles qualité et les techniques qui y sont associées. De là, nous exami-nerons la raison d’être et la structure des normes de la série ISO 9000. Nous présenterons en détail un plan d’implantation de ces normes, notamment en regard du manuel qualité, des procédures organisationnelles, des instructions de travail et de l’échéancier. Enfin, nous décrirons le processus de certification.

2.2 CONCEPT DE QUALITÉ TOTALE L’organisation mise en place pour obtenir la qualité totale est parfois appelée système qualité. Tous les secteurs de l’entreprise coopèrent dans le concept de qualité totale (fig. 2.1).

• La conception doit développer/concevoir l’assurance qualité (fiabilité, maintenabilité, disponibilité, coûts) et la planification (contrôle qualité, production).

• Avant la production, on sélectionne le personnel (choix, formation, motivation). • En production, on réalise le contrôle des achats et des matériaux, le contrôle du processus, l’inspection

finale et le contrôle de la logistique (emballage, stockage, manutention et transport). • Après la production, il convient de surveiller la banque de données (concurrence, client, maintenance),

l’analyse des coûts qualité, les actions correctives et le contrôle d’après-vente (compétence des vendeurs, accueil).

• Pendant la proposition et la préparation, il est nécessaire de planifier la politique qualité, l’organisation du travail, la législation et la sécurité du travail.

32 Chapitre 2

Figure 2.1 Concept de qualité totale.

W. E. Deming, économiste et scientifique américain, a introduit la notion de qualité au Japon dans les années 1950. Aujourd’hui, il y fait figure de prophète. Il existe même au Japon un prix Deming récompensant le produit qui montre la meilleure qualité. Dans le but d’aider les responsables du management à améliorer la qualité des produits, Deming a énoncé 14 préceptes. 1. Toujours chercher à améliorer le produit ou le service et investir dans le futur. Être toujours compétitif. 2. Adopter la philosophie du temps présent : pas de défaut, pas de délai, pas d’erreur, un personnel compé-

tent et accueillant. 3. Ne plus dépendre du contrôle de masse et préférer le contrôle du processus. 4. Améliorer la qualité des matériaux, des composants et des équipements achetés. 5. Rechercher continuellement les défauts (gaspillage) et les insuffisances du système mis en place

(conception, achats, qualification) et toujours chercher à l’améliorer. 6. Introduire et utiliser des méthodes modernes de travail. 7. Introduire et utiliser des méthodes modernes de supervision ou d’encadrement. 8. Éliminer la crainte et la peur : peur du changement, peur de s’informer, de justifier de mauvais résultats. 9. Abattre les barrières et les cloisons entre les services de l’entreprise. 10. Éliminer l’usage des objectifs chiffrés, se débarrasser des slogans : des procédures, des investissements

et de meilleurs outils sont plus efficaces que les affiches prônant le zéro défaut. 11. Éliminer les standards de travail des quotas numériques. 12. Susciter et créer une satisfaction ou une fierté dans le travail. 13. Mettre en œuvre des programmes d’éducation et de qualification. 14. Créer une organisation appropriée à une politique visant la qualité.

Des documents soutiennent les actions opérationnelles de gestion de la qualité (fig. 2.2).

Figure 2.2 Documents attribués aux actions opérationnelles de la gestion de la qualité.

Modèle qualité 33

2.3 MODÈLE QUALITÉ ET TECHNIQUES ASSOCIÉES On distingue essentiellement quatre niveaux de modèles qualité (fig. 2.3).

Aucun modèle qualité

Contrôle de la qualité

Assurance qualité ISO 9000:1994

Qualité totale ISO 9001:2000

Niveau 3

Niveau 2

Niveau 1

Niveau 0

Figure 2.3 Différents niveaux de modèles qualité.

Niveau 0 : Aucun modèle qualité. Les entreprises ayant un modèle qualité de niveau 0 ne possèdent, en fait, aucun modèle qualité. Autrement dit, elles ne procèdent à aucun contrôle de la qualité sur les produits distribués, et encore moins sur les moyens de production de ces mêmes produits.

Niveau 1 : Contrôle de la qualité. Les entreprises ayant un modèle qualité de niveau 1 possèdent un système permettant le contrôle de la qualité des produits finis, mais pas le contrôle de la qualité des moyens de production de ces produits.

Niveau 2 : Assurance qualité. Les entreprises ayant un modèle qualité de niveau 2 possèdent un système de contrôle de la qualité des produits finis et des moyens de production. La norme ISO 9000:1994 correspondait à ce niveau de modèle qualité.

Niveau 3 : Qualité totale. Les entreprises ayant un modèle qualité de niveau 3 mobilisent la totalité de leurs activités dans un processus continu d’amélioration afin d’obtenir une meilleure satisfaction du client au moindre coût. L’édition d’ISO 9001:2000 ne comporte plus le terme « assurance de la qualité ». Cela illustre le fait que les exigences relatives au système de management de la qualité spécifiées dans cette nouvelle édition concernent encore l’assurance de la qualité du produit, mais visent également à accroître la satisfaction des clients.

La qualité du produit dépend de nombreuses composantes. Si l’une d’elles ne donne pas satisfaction, il y a automatiquement non-qualité avec toutes les conséquences qui peuvent s’ensuivre : réclamation, annulation de commande, perte de clientèle, atteinte à l’image de marque de l’entreprise, etc. La figure 2.4 présente les principales composantes de la qualité.

Bien souvent, le modèle qualité va de pair avec des techniques telles que l’amélioration continue, la réingé-nierie des processus, le Kaisen, le juste-à-temps, le Kanban, le SMED (Single minute exchange of die), le déploiement de la fonction qualité (QFD, Quality function deployment) et la maintenance préventive totale.

34 Chapitre 2

KAÏZEN

Amélioration progressive

- Système de propositions- Discipline au poste de travail- Maintenance préventive totale- Kanban (juste-à-temps)- Collaboration entre la direction et le personnel

Organisation- QFD (déploiement de la fonction qualité)- PPM (parts per million = zéro des erreurs)- Cercles de qualité

Qualité

- Robotisation- Automatisation et mécanisation- Fabrication avancée

ProductivitéProduit nouveau

Les composantesde la qualité Service après-vente

Achat

Utilisation

Maintenance

Délais

Fiabilité

Maintenabilité

Disponibilité

Durabilité Sécurité d’emploi

Coût globalde possession

Jugé

es a

près

l’ac

hat

Caractéristiques de fonctionnalité

Accueil

Performances

Présentation esthétique

Jugé

es a

vant

l’ac

hat

Figure 2.4 Principales composantes de la qualité (adapté de Fanchon, 1994).

L’approche Kaïzen peut s’appliquer aux opérations quotidiennes comme la mise en œuvre de projets à plus long terme, par exemple l’élaboration d’un nouveau produit ou la modification d’un processus de fabrica-tion. « Kaïzen » ou « Kaisen » vient d’un mot japonais qui signifie « amélioration progressive et continue ». Cette notion englobe diverses techniques de qualité (fig. 2.5).

Figure 2.5 Composantes de l’approche Kaïzen.

Modèle qualité 35

Parmi ces techniques, le QFD est une méthode permettant de traduire les demandes du consommateur en spécifications techniques de l’entreprise pendant les phases de la vie d’un produit : R-D, conception, indus-trialisation, commercialisation et distribution. Le QFD utilise l’outil graphique, dit la maison de qualité, représenté à la figure 2.6.

Étalonnage selon la voix du client aéronautique Analyse

Importance aéronautique

6 : Conflitsà résoudre

Éliminer l’ébavurage,l’opération sans valeur ajoutéeAssurer une qualitérequiseNe pas dépasser le coût préétabli 1 : Qualité

demandée

7 : Caractéristiquestechniques

Mesure deperformance

La voixdu client

aéronautique

4 : Perception dela concurrence par le client

5 : Pondération

3 : Matrice relationnelle -vérification de fidélitédes caractéristiquestechniques

Poids par importance% par importance

8 : Pondérationperformance

9A : Performancenouvelle

9B : Performanceen compétition

10 : Résultats finaux

Cheminement de l’outilProcédé multifonctionnelModification de gamme

Compagnie XCompagnie YCompagnie Z

2 : Demandedu client

Figure 2.6 L’outil graphique du QFD : maison de la qualité.

36 Chapitre 2

Le Kanban vise la diminution des frais de stockage (fig. 2.7). Il permet également de réduire de façon notable les frais de réglage des machines-outils (fig. 2.7b).

Frai

s en

unité

s du

tem

ps, C

Frai

s en

unité

s du

tem

ps, C

Figure 2.7 Modes d’organisation des travaux : a) organisation périmée; b) Kanban (juste-à-temps). [1 et

3 = frais de stockage des pièces; 2 = frais de réalisation du contrat et de réglage des machines-outils; 4 = frais d’organisation des demandes pour la livraison de sous-assemblages et matériaux; 5 = frais constants pour la préparation des travaux et gestion; Σ = frais sommaires; Cmin = valeur minimale des frais sommaires; mopt = taille optimale du lot assurant une Cmin.]

L’application du Kanban, entre autres techniques, permet parfois une amélioration simultanée de la produc-tivité et de la qualité. Dans la plupart des cas, il existe effectivement un lien entre ces éléments : l’augmenta-tion de la productivité entraîne une augmentation de la qualité, car celle-ci est essentielle à une automatisa-tion efficace de l’assemblage des produits. L’augmentation de productivité est liée non seulement à une accélération de la cadence de travail, mais également à une réduction du temps de préparation. Par exemple, dans une entreprise de fabrication automobile, le temps de réglage de la presse hydraulique pour l’estampage des capots et des ailes d’une automobile (fig. 2.8) était auparavant d’une heure, temps requis pour le démon-tage et le montage du poinçon et de la matrice avec les éléments de fixation et de vissage. Après l’améliora-tion du processus de réglage – la modification de la conception d’outillage par les glissières en queue d’aronde autorisant maintenant les mouvements simultanés en sens opposé du poinçon et de la matrice lors du changement grâce à deux régleurs –, le temps du changement d’outillage est passé à douze minutes et la précision d’estampage a été améliorée.


Chapitre 3

Gabarit

3.1 INTRODUCTION La production de pièces mécaniques nécessite un dessin de définition. Ce dessin doit définir de façon non équivoque la forme finale de la pièce, et ce, sans indiquer explicitement le ou les procédés de fabrication. Il doit refléter les critères de la conception et par conséquent contenir toute l’information technique nécessaire à la fabrication.

Les dessins de définition exécutés selon les normes traditionnelles de cotation dimensionnelle (encore en usage aujourd’hui) portent à confusion. Cette lacune est apparue durant la Seconde Guerre mondiale lorsque plusieurs entreprises œuvraient à la fabrication de pièces et de sous-systèmes militaires. Lors de l’assem-blage de ces pièces et sous-systèmes, on constatait souvent la présence d’interférences. Il fallait alors retravailler les pièces ou tout simplement les mettre au rebut. Les différentes entreprises se sont longtemps disputées devant les tribunaux afin de déterminer un responsable. On a conclu que la cotation dimen-sionnelle utilisée dans les dessins de définition des pièces et sous-systèmes était à l’origine de ces erreurs, qu’une importante révision du langage du dessin technique utilisé sur les plans et devis s’imposait et qu’une norme de tolérancement des formes géométriques était nécessaire.

Cela fait ressortir l’importance de contrôler la pièce durant sa fabrication. On peut le faire à l’aide d’instruments de mesure à l’atelier ou en métrologie, ou encore au moyen d’un gabarit qui représente l’état limite d’assemblage. Le contrôleur vérifie par ce gabarit que la pièce s’assemblera même si elle est à sa pire condition d’assemblage, c’est-à-dire où les éléments dimensionnels sont à leur état au maximum de matière avec les erreurs de forme maximales permises et les erreurs de positionnement maximales. Le résultat du contrôle considéré est utile pour ajuster le procédé de fabrication ainsi que pour établir la raison du rejet et les façons d’y remédier. Le gabarit représente généralement l’environnement immédiat de la pièce, cet environnement étant à son état virtuel.

Dans ce chapitre, nous étudierons la norme de tolérancement géométrique CAN/CSA B 78.2-M91, notamment les systèmes de référence et les états virtuels et résultants. Nous examinerons ensuite, à l’aide de quelques exemples, la conception des gabarits et les calculs nécessaires pour les réaliser.

3.2 NORME DE TOLÉRANCEMENT GÉOMÉTRIQUE Plusieurs comités de normalisation, dont le CSA travaillent, depuis les années d’après-guerre, à éta- blir un langage technique uniforme et sans équivoque. Le CSA (dont l’acronyme français était alors ACNOR), a publié en 1991 sa plus récente version de la norme sur le tolérancement géométrique CAN/CSA B 78.2-M91, en concordance avec les normes ISO (Organisation internationale de norma-lisation), dont ISO 1101 « Technical Drawings, Geometrical Tolerancing » et ISO 5458 « Positional Tolerancing ». La norme ASME (American Society of Mechanical Engineers) Y14.5M-1994 (R-2004) remplace la norme ANSI (American National Standards Institute) Y14.5M-1982 (R-1988). La norme Y14.41-2003 est un élargissement de la norme Y14.5M-1994 à la modélisation 3D. Elle établit les besoins et les documents de référence applicables à la préparation et à la révision des données de définition du modèle et du dessin numérique du produit. À quelques différences mineures près, la norme ASME est aussi en concordance avec les normes ISO.

Au début des années 1960, l’introduction du tolérancement géométrique dans l’industrie a été un échec parce qu’il n’était pas assez bien défini. Redéfini depuis, il a fait l’objet depuis 1975 d’investissements importants de la part de l’industrie aérospatiale et aéronautique. Au Canada comme dans la plupart des pays

58 Chapitre 3

industrialisés, on exige maintenant que les dessins de définition soient exécutés selon les normes de dimensionnement et de tolérancement géométrique. De plus, une note au dessin de définition doit identifier la norme d’interprétation, par exemple : « Interprété selon CAN/ACNOR B78.2-1991. » Dans la présente section, nous tenterons de répondre à la question : « Pourquoi avons-nous besoin d’une norme de tolé-rancement géométrique? » à travers un exemple de dessin de définition qui porte à confusion.

3.2.1 Lacunes du tolérancement dimensionnel La figure 3.1 présente le dessin de définition d’une pièce fort simple, cotée selon la méthode traditionnelle du tolérancement dimensionnel, c’est-à-dire sans aucune tolérance géométrique. Les deux trous de diamètre 8 mm doivent être percés puis vérifiés lors d’un contrôle de qualité. Le machiniste, après avoir étudié le dessin de définition de la pièce, décide de faire un simple montage constitué de deux barres perpendiculaires qu’il fixe à la table de la perceuse (fig. 3.2). Ensuite, il dépose la face A de la pièce sur la table de la perceuse. Puis, considérant qu’il est plus difficile d’obtenir une tolérance serrée sur une cote de 100 mm plutôt que de 75 mm, il appuie correctement la face C sur la barre de gauche, puis il glisse la pièce de façon à compléter son positionnement sur la face B.

Figure 3.1 Exemple de dessin de définition d’une pièce à percer [A, B et C = faces de référence.]

Figure 3.2 Positionnement de la pièce par rapport aux barres fixées à la table de la perceuse selon le

machiniste. [B et C = faces de référence.]

Gabarit 59

Lors du repérage de la pièce dans le montage de perçage, le machiniste remarque que la face B ne touche qu’en un seul point à la barre horizontale et qu’il y a un vide à angle entre la face B et la barre. Il conclut que cette déviation est normale compte tenu des tolérances de fabrication des faces extérieures, soit ±0,1 à 0,2 mm. Une fois toutes les pièces réalisées, celles-ci sont ensuite acheminées au service du contrôle de la qualité. L’inspecteur étudie alors le dessin de définition et, pour les mêmes raisons que le machiniste, décide de faire un montage similaire à celui du machiniste pour vérifier la position des deux trous de diamètre 8 mm sur le marbre d’une machine à mesurer. Considérant la longueur des surfaces B et C, il décide pour des raisons de stabilité d’appuyer la face B correctement sur la barre horizontale avant de glisser la pièce vers la gauche, afin de compléter son positionnement par un contact sur la face C (fig. 3.3).

Figure 3.3 Positionnement de la pièce par rapport aux barres fixées à la table de la perceuse selon

l’inspecteur. [B et C = faces de référence.]

L’inspecteur remarque qu’il y a un espace angulaire entre la face C et la barre verticale. Étant donné les tolérances de fabrication des faces extérieures (±0,1 à 0,2 mm), cette déviation est acceptable. Ensuite, il vérifie la position des deux trous et trouve que les deux trous sont en dehors des limites permises de ±0,1 mm. L’inspecteur vérifie son montage et ses mesures pour s’assurer de sa conclusion. Il va voir le machiniste pour lui dire que les pièces qu’il a percées ne sont pas bonnes, mais ce dernier est convaincu qu’il a fait les trous aux bons endroits. En fait, ni l’un ni l’autre n’a tort. C’est l’information fournie par le dessin de définition qui est insuffisante. La faute revient au concepteur, qui n’a pas utilisé de tolérancement géométrique pour positionner les trous.

Cet exemple illustre bien une situation confuse. Le machiniste et l’inspecteur ont bien accompli leur tâche et ils se sont conformés aux exigences du dessin. Le problème se situe dans la localisation isostatique de la pièce lors de l’inspection et du perçage. Le machiniste et l’inspecteur se sont servis de deux systèmes différents de repérage. Le machiniste a repéré la face C avec deux points de contact et il a ensuite repéré la face B avec un point de contact. L’inspecteur a procédé de la même façon que le machiniste, sauf qu’il a inversé la séquence de repérage des faces B et C. Il est clair que la cotation dimensionnelle (même tolérancée) utilisée dans le dessin de définition n’est pas suffisante pour définir de façon unique la pièce à produire et à inspecter. Si le concepteur avait utilisé le tolérancement géométrique dans le dessin de définition de la pièce, la séquence de mise en position aurait été explicite. Cependant, il ne faut pas pour autant tout tolérancer géométriquement. Toute pièce ou tout élément géométrique est censé avoir la forme géométrique représentée par le dessin de définition. À moins que ce ne soit spécifié autrement : • une ligne qui apparaît droite implique la rectitude; • une ligne qui apparaît circulaire implique la circularité;


60 Chapitre 3

• une ligne qui apparaît parallèle implique le parallélisme; • une ligne qui apparaît perpendiculaire implique la perpendicularité; • une ligne d’axe implique la symétrie; • une ligne qui apparaît commune à deux ou à plusieurs éléments implique la symétrie ou la concentricité.

Les tolérances géométriques ne doivent être prescrites que si elles sont indispensables pour assurer l’aptitude à l’emploi de la pièce; autrement, on augmente indûment les coûts de fabrication et de contrôle. Examinons maintenant les classes et les symboles utilisés en tolérancement géométrique.

3.2.2 Classes et symboles L’élaboration du tolérancement géométrique a nécessité la création de classes de tolérances géométriques et de symboles appropriés, la définition d’un certain nombre de concepts ainsi que l’établissement de règles d’interprétation et de notation pour les dessins de définition. On distingue quatre classes de tolérances géométriques (tabl. 3.1). La première classe regroupe les tolérances de forme qui ont pour but de contrôler les caractéristiques propres d’un élément géométrique isolé, telles que la planéité d’une surface ou la rectitude d’une arête. Dans ce cas, les éléments sont dits isolés, car ils ne sont pas associés à un autre élément. Les tolérances de profil, que l’on retrouve dans cette classe, sont une exception, puisque les éléments auxquels elles s’adressent peuvent être isolés ou associés.

Tableau 3.1 Classes et symboles de tolérancement géométrique

Classe Isolée/associée Symbole Description

Forme Isolée

Planéité (flatness)

Rectitude (straightness)

Circularité (circularity)

Cylindricité (cylindricity)

Isolée ou associée Profil de ligne (profile of a line)

Profil de surface (profile of a surface)

Orientation Associée

Parallélisme (parallelism)

Perpendicularité (perpendicularity)

Inclinaison (angularity)

Localisation Associée

Localisation (position)

Concentricité (concentricity)

Symétrie (symmetry)

Battement Associée

Battement simple (runout)

Battement total (total runout)


Gabarit 61

La deuxième classe comprend les tolérances d’orientation qui ont pour but de contrôler l’orientation d’un élément par rapport à un autre, telle que la perpendicularité d’une surface par rapport à un axe. Cette classe de tolérance est dite associée, car elle associe une caractéristique géométrique d’un élément à un autre élément utilisé comme référence.

La troisième classe inclut les tolérances de localisation. Elles définissent la position d’un élément par rapport à un autre élément, par exemple la position d’un trou par rapport à des surfaces. Ce sont des tolérances associées, car la position d’un élément est définie par rapport à d’autres éléments.

Enfin, la dernière classe regroupe les tolérances de battement. Ces tolérances contrôlent le battement d’une surface par rapport à un autre élément et sont donc associées.

3.2.3 Système de références Afin d’éviter toute ambiguïté, il est nécessaire de spécifier un système de références particulier lors du tolérancement géométrique d’un élément d’une pièce. En général, on distingue les références simulées, partielles et spécifiées (primaires, secondaires et tertiaires).

Références simulées. Une référence simulée peut être un point, une ligne ou un plan « parfait » résultant du contact entre un élément de référence (partie de la pièce à mesurer) et un élément de référence simulée (marbre ou autre élément beaucoup plus parfait que la pièce à mesurer). Les références simulées n’apparaissent donc pas sur le dessin de définition de la pièce, mais sont plutôt des éléments géométriques parfaits qui apparaissent autour d’une pièce réelle lorsque celle-ci est mise en contact avec d’autres objets.

Références partielles. Une référence partielle est une zone ou plusieurs zones restreintes de la surface d’une pièce brute utilisées pour positionner une ou des surfaces fonctionnelles de la pièce finie (fig. 3.4). Comme les différents procédés de mise en forme, tels que le moulage, le forgeage, le soudage ou le travail à la presse, n’offrent pas la précision nécessaire pour permettre l’utilisation directe des surfaces de la pièce brute comme références spécifiées, il est souvent nécessaire de s’appuyer en premier sur des zones restreintes de la pièce brute afin de définir de façon unique la position d’une ou de plusieurs surfaces fonctionnelles.

Ensuite, il est possible de s’appuyer sur ces premières surfaces fonctionnelles pour définir les autres surfaces de la pièce. Ces zones restreintes de la surface brute doivent être disposées de façon à obtenir un posi-tionnement adéquat de la pièce brute durant l’usinage et l’inspection. À noter qu’il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser des références partielles sur une pièce brute. Celles-ci sont nécessaires uniquement lorsque les dimensions du brut peuvent différer de façon significative de sa forme idéale.

Figure 3.4 Système de références partielles.


62 Chapitre 3

Il faut indiquer les références partielles sur les dessins de définition (fig. 3.5) : • par une croix lorsque la référence partielle est ponctuelle; • par deux croix reliées par un trait fin lorsque la référence partielle est linéaire; • par une, deux ou trois zones hachurées circulaires ou carrées lorsque la référence partielle est une surface.

(a) (b) (c) (d)

Figure 3.5 Références partielles : a) ponctuelles; b) linéaires; c) et d) surfaciques.

On définit chaque référence partielle par un symbole circulaire divisé en deux par une ligne horizontale. Dans la partie inférieure, on inscrit la lettre désignant la référence partielle (primaire, secondaire ou tertiaire) et le numéro de la zone. La partie supérieure sert à inscrire des données complémentaires, telles que la dimension de la zone (à gauche), information qui peut être inscrite à l’extérieur si l’espace est insuffisant (fig. 3.6, à droite).

Figure 3.6 Exemple de références partielles.

La position des zones, lignes ou points constituant les références partielles doit être déterminée par des dimensions théoriquement exactes (cotes théoriques encadrées). La dimension de position indique habituellement le centre de la zone (fig. 3.7). Pour des raisons de stabilité, les trois zones de références partielles primaires devraient être situées sur la plus grande surface de la pièce ou sur plusieurs surfaces parallèles et le plus espacées possible. Les deux zones de références partielles secondaires devraient également se trouver sur une grande surface et être le plus espacées possible. De plus, les références partielles devraient être situées sur des surfaces qui peuvent accepter des points de serrage sur les surfaces opposées sans se déformer. Les références partielles doivent aussi être choisies en fonction d’un outillage de repérage simple. On suggère de concevoir les pièces moulées selon un système de références partielles telles que celles-ci interceptent le centre de la pièce. Ce système devrait réduire le plus possible l’accumulation d’erreurs.

Références spécifiées. Une référence spécifiée est soit un élément géométrique (un point, une ligne ou une surface) ou un élément dimensionnel (axe d’un trou, plan de symétrie d’une rainure, etc.) de la pièce finie qui est spécifié comme élément de référence primaire, secondaire ou tertiaire dans une tolérance géométrique d’un élément de la pièce finie. Les références spécifiées doivent être clairement identifiées sur le dessin de définition de la pièce. Seules les références spécifiées associées à un élément dimensionnel peuvent comporter un modificateur à l’état au maximum ou au minimum de matière.

Chapitre 4

Procédés d’obtention d’une pièce brute

4.1 INTRODUCTION Une pièce brute est un produit initial, réalisé lors d’une production primaire, qui a une forme géométrique ainsi que des propriétés physico-mécaniques et dont la modification de ses surfaces par usinage génère petit à petit une pièce finie. Selon la nature des changements de forme géométrique et de propriétés physico-mécaniques des surfaces, on peut classifier les procédés d’obtention des pièces brutes comme suit :

• formage à chaud ou à froid avec une déformation plastique (laminage, forgeage, estampage, extrusion); • formation de la pièce brute par remplissage de métal fondu d’un évidement appelé empreinte, dans un

moule non permanent ou permanent (moulage); • création de la pièce mécano-soudée (estampage-soudage); • métallurgie des poudres.

Les alliages élaborés lors de la production primaire peuvent être coulés en lingots ou moulés. Les organes métalliques entrant dans la fabrication des produits ou dans la construction des machines ou des appareils utilisés industriellement proviennent de sources différentes : forges, fonderies et ateliers d’usinage. La fabrication des pièces de formes complexes se fait généralement par moulage, c’est-à-dire en coulant le métal liquide dans des moules en sable ou en métal. Ce procédé est économique dans le cadre d’un type de fabrication. Par exemple, le moulage par centrifugation des pièces tubulaires devient meilleur marché à partir d’un nombre de pièces coulées égal à environ 1 000 pièces par rapport aux procédés concurrentiels tels que le moulage en sable ou en coquille.

Les alliages coulés en lingots doivent subir des transformations de forme afin d’être utilisables dans les nombreux domaines auxquels ils sont destinés. On en fera des pièces ébauchées ou encore des produits semi-finis tels que des barres, des tôles et des profilés. Toutes ces transformations exigent un outillage important qui est en général présent dans les sites des industries de première transformation. Les moyens mis en œuvre pour les réaliser varient grandement. Nous ne verrons que les principaux dans cet ouvrage, notamment le laminage, le forgeage libre, l’estampage à chaud, le roulage et le fluotournage, le formage à haute énergie et diverses techniques de montage.

4.2 CHOIX DU PROCÉDÉ D’OBTENTION D’UNE PIÈCE BRUTE Le choix du procédé d’obtention d’une pièce brute dépend de la conception de la pièce finie, de son fonctionnement dans l’assemblage, du matériau, de l’encombrement et du type de fabrication. Par exemple, on peut utiliser une barre laminée pour une pièce de révolution en acier avec différence de diamètres maximal et minimal des portées inférieure à 20 mm dans n’importe quel type de fabrication. Dans ce cas, on obtient la pièce brute par découpage en longueur de la barre laminée.

Avec l’utilisation de grandes vitesses de coupe (Vc = 600 à 1 000 m/min pour l’acier), on peut effectuer l’usinage en pleine matière (le brut est une barre forgée ou laminée). Mais malgré la diminution considérable du temps pièce dans ce cas-là, il convient de prendre en compte le coût d’usinage sur la machine-outil (MO) à grande vitesse de coupe, qui est plus élevé que pour une MO traditionnelle. Par exemple, étant donné qu’on vise la minimisation du coût de réalisation d’une surface dans l’acier au nickel-chrome-molybdène 35NCD16, y compris le coût d’usinage, le coût d’outil et le coût de reprise manuelle, on arrive à réduire le coût de trois à cinq fois (CETIM, 1996) par rapport aux méthodes de production traditionnelles.


96 Chapitre 4

Le forgeage libre s’emploie dans les conditions de fabrication unitaire et en petite série, ainsi que pour la fabrication de pièces lourdes nécessitant de très hautes performances mécaniques.

L’estampage permet d’obtenir une pièce brute dans des conditions de fabrication en série et en grande série avec une forme géométrique la plus proche de celle d’une pièce finie. Remarquons que les propriétés physico-mécaniques des bruts estampés sont supérieures à celles des bruts moulés.

On peut obtenir par moulage en phase liquide une grande gamme de bruts. Le moulage englobe 50 à 70 % de la masse des pièces produites, parmi lesquelles les pièces brutes en fonte représentent 75 % et celles en acier, 20 %. En outre, les bruts en alliages non ferreux jouent un rôle important dans la fabrication des auto-mobiles, des avions, des bateaux et d’autres produits. Toutefois, il y a des restrictions accompagnées de recommandations. Par exemple, le moulage sous pression ne s’emploie pas pour les pièces en fonte, tandis que ce procédé est très utilisé pour les pièces en alliage d’aluminium, de magnésium ou de laiton. La qualité des pièces moulées dépend des conditions de cristallisation du métal dans un moule, qui sont déterminées par le procédé. Dans certains cas, il est probable qu’on repère la formation de retassures friables et de criques à chaud ou à froid à l’intérieur des parois seulement après l’usinage d’ébauche. C’est pourquoi on exécute plusieurs opérations de contrôle des pièces brutes.

4.3 LAMINAGE Le laminage est une déformation plastique du métal à chaud ou à froid par les laminoirs tournants pour un changement de forme géométrique et de dimensions de la section transversale avec une augmentation de la longueur des bruts.

La figure 4.1 montre un schéma du laminage et de ses produits à partir de l’ébauche primaire (lingot) jus-qu’aux pièces brutes obtenues par découpage, pliage, poinçonnage pour les processus subséquents : for-geage, estampage, soudage (fig. 4.2) et usinage. La figure 4.3 présente les types de profilés : courant, laminé et spécial.

Pour bien choisir le fournisseur de barres laminées, il convient de considérer les facteurs suivants : qualité du produit, produit répondant aux exigences techniques, régularité du produit, fiabilité de l’approvisionnement, délai de livraison, gamme de produits et soutien technique.

En marge du laminage habituel, il existe des processus spéciaux utilisés dans les conditions de fabrication en grande série. On fabrique des arbres échelonnés, des appuis de rotule et d’autres pièces de révolution avec changement de diamètre par laminage transversal à coin (fig. 4.4). Ce processus remplace l’estampage à chaud, permet d’économiser 30 % du métal et de diminuer la quantité du travail. On utilise le laminage transversal dans les laminoirs calibrés (fig. 4.5) pour fabriquer les roues dentées, les roues-pignons et les bandes de roulement des roues de pont roulant. Ce processus remplace l’opération d’ébauchage en usinage, diminue la quantité du travail de 1,3 fois, permet l’économie de 20 % du métal et augmente la durée de vie grâce à l’orientation favorable des grains du métal.

Procédés d’obtention d’une pièce brute 97

Ébauche primaire Lingot Laminoir

Pour billette

Ébauche semi-produit

B

B

B e

e

Ébauche laminée

Plat : e = 4 à 160 mmTôle : e = 0,2 à 4 mmFeuille métallique : e < 0,2 mm

Pièce brute

7

Profilés

Barre carrée

Fil

30 à 650 mm

Tube à fente

Plaque BloomBillette

B B = 200 200 mm à 450 450 mm

e = 65 à 300 mmB = 600 à 1600 mm

Laminoir

10 à 1420 mm

Laminoir

Pièce tubulaire

Barre cylindrique

Pièces prismatiques

Figure 4.1 Le laminage et ses produits. [B = dimensions; e = épaisseur.]

98 Chapitre 4

Figure 4.2 Produits laminés-soudés.

Cornière Poutre en I Poutre en U

Profilés laminés

Profilés courants

Feuille

Plaque Barre carrée Barrehexagonale

Barrecylindrique

Barretubulaire

Profilés spéciaux

Profilé refoulé

Figure 4.3 Types de profilés.

Électrodes de soudagepar point

Procédés d’obtention d’une pièce brute 99

Figure 4.4 Laminage transversal à coin.

Figure 4.5 Laminage transversal dans des laminoirs calibrés : a) ébauchage; b) finition.

100 Chapitre 4

4.4 FORGEAGE LIBRE Le forgeage libre est un formage à chaud avec une déformation plastique effectué à l’aide de machines et d’outillage universel. Deux types de machines servent au forgeage libre : • des machines travaillant par choc où une composante est animée d’une vitesse V ≥ 6 m/s pour la frappe

(moutons, marteaux) du brut; • des machines travaillant par pression (presses mécaniques ou hydrauliques) où une composante est

animée d’une vitesse V ≤ 1 m/s.

Avant le forgeage, on chauffe des lopins dans des fours à flamme, à résistance électrique (alliages d’aluminium et de magnésium, T° ≥ 500 °C ± 5 °C), à induction (acier, cuivre, laiton, aluminium), ainsi que des installations avec contact électrique (le chauffage des barres longues avec l > 1,5d) et des bruts profilés avec un diamètre jusqu’à 100 mm.

Le choix précis des fours déborde le cadre de cet ouvrage, mais on peut noter les critères suivants : • la productivité globale du four − quantité de métal chauffée jusqu’à température de forgeage par unité de

temps (kg/h); • la productivité spécifique du four − déterminée par une masse de métal chauffée de 1 m2 de surface

pendant une heure (kg/m2 ⋅ h); • le rendement − ce paramètre est calculé par une relation entre la quantité théorique de chaleur nécessaire

au chauffage du métal et la quantité de chaleur réellement consommée.

Le forgeage libre est le seul processus de fabrication pour les pièces forgées lourdes (jusqu’à 250 t) du type arbres de générateurs hydrauliques, disques de turbines, vilebrequins des moteurs maritimes, laminoirs, etc.

Les pièces forgées de moindre masse, par exemple de 20, 60 ou 120 kg, peuvent être fabriquées par forgeage libre ou estampage à chaud. Les avantages du forgeage libre sur l’estampage à chaud sont avérés écono-miquement dans les conditions de fabrication unitaire et en petite série grâce à l’utilisation d’outillage universel.

Le processus de forgeage libre comporte des opérations avec chronologie déterminée.

Ces opérations sont l’opération préalable, les opérations d’aplatissement, les opérations essentielles et les opérations de calibrage. Considérons les opérations de forgeage libre les plus courantes. La figure 4.6 illustre l’opération préalable. La figure 4.7 montre les différentes opérations d’aplatissement et la figure 4.8, les autres opérations essentielles.

D

L

d

F F

32 4

3

1

5

(a)

(b)

(c) (d)

Figure 4.6 Opération préalable : a) et b) préparation d’un lopin; c) opération de séparation; d) mise de

longueur. [1 = lingotière; 2 = couperet; 3 = brut; 4 = guillotine qui fait une coupe définitive du brut; 5 = lopin préparé; d, D, L = dimensions; F = force.]


Chapitre 5

Procédés d’usinage conventionnels

5.1 INTRODUCTION Dans la pratique habituelle, l’usinage consiste à enlever sous forme de copeaux l’excès de matière d’une pièce, à la main ou à la machine. L’aptitude d’une machine à exécuter un travail donné dépend de la forme, de la grandeur et du nombre de pièces à usiner. Il faut aussi tenir compte de l’exactitude des mesures et de la qualité de l’état de surface. Suivant le genre de machine avec laquelle on usine des pièces, on parle de pièces tournées (souvent cylindriques), fraisées (souvent prismatiques), mais aussi rabotées, rectifiées, percées, etc. Le choix d’un procédé d’usinage conventionnel se base sur une bonne connaissance de ces procédés et des matériaux requis pour la partie active des outils.

Dans ce chapitre, nous verrons en premier lieu les matériaux employés dans la partie active des outils d’usinage. En second lieu, nous décrirons les divers procédés d’usinage conventionnels, soit le tournage, le fraisage, le perçage, l’alésage, le filetage, le taraudage, le brochage, le taillage des engrenages et la rectifi-cation. Par ailleurs, nous ne traiterons dans cet ouvrage que des procédés à la machine.

5.2 MATÉRIAUX DE LA PARTIE ACTIVE DES OUTILS Pour choisir le matériau d’un outil, il faut prendre en compte la matière à usiner et le type d’opération à effectuer (fig. 5.1a).

Les matériaux employés pour la partie active des outils dans la pratique habituelle sont présentés au tableau 5.1.

Les carbures métalliques sont les matériaux les plus communément utilisés pour la partie active d’un outil. On peut en voir les applications dans la figure 5.1b.

Figure 5.1 Choix d’un matériau d’outil : a) facteurs essentiels. [E = ébauche; F = finition.]

168 Chapitre 5

Nuance de carbure

P M MBleu Jaune Rouge

Métaux ferreuxà copeaux longs

Métaux ferreuxà copeaux longs et à copeaux courts; métaux non ferreux

Métaux ferreux à copeaux courts; métaux non ferreux; matières non métalliques

Par exemple, fonte grisePar exemple, acier, fonte, alliages légers

(b)

Par exemple, fonte grise, alliage en aluminium, cuivre, plastiques

Figure 5.1 (suite) Choix d’un matériau d’outil : b) applications des carbures métalliques. [M et P = codes

de nuances de carbone ISO.]

Tableau 5.1 Matériaux de la partie active des outils et leurs attributs

N Matériaux Composition Caractéristiques Particularités du procédé Applications

1

Aciers rapides (HSS)

– À base de tungstène (W) : > 0,7 % de carbone (C), éléments d’addition susceptibles de former des carbures : 4 % de chrome (Cr), 12 à 20 % de tungstène (W), 1 à 1,5 % de vanadium (V) et ≈ 12 % de cobalt (Co)

– À base de molybdène (Mo) : 6 à 13 % de tungstène (W) et 3,5 à 10 % de molybdène (Mo)

Structure de martensites à grains très fins

Bonne ténacité (deux fois plus que le carbure)

Coulage avec trempe : dureté très élevée (conservation jusqu’à 600 °C)

Grand nombre de com-binaisons d’opérations d’usinage

2

Aciers rapides frittés

Structure très homogène

Très bonne résistance à l’usure et à l’échauffement

Moins fragile que l’acier coulé

Obtention de poudre :

– Pulvérisation de l’acier liquide par jet de gaz

– Frittage à 1 150 °C

– Pression isostatique de 1 500 bars

Meilleure aptitude à la rectification

Un peu poreux, mais de qualité suffisante

– Pulvérisation

– Pressage à froid et par frittage

Fabrication d’outils de forme et de plaquettes

3

Aciers rapides revêtus

Revêtement de nitrure de titane (TiN) pouvant atteindre une épaisseur de 10 µm

Couleur dorée

Durabilité élevée

Dureté de 2 500 HV

Dépôt physique en phase vapeur (PVD) à 500 °C

Revêtement d’outils dimensionnels et de forme (ex. forets, tarauds, outils à tailler des engrenages)

Adapté de Sandvik Coromant, 2000.

Procédés d'usinage conventionnels 169

Tableau 5.1 (suite) Matériaux de la partie active et ses attributs


4

Carbures métalliques de tungstène (WC), de titane (TiC), de tantale (TaC) et de niobium (NbC)

Particules très dures d’une dimension de 1 à 10 µm

Dureté : – WC : 2 000 HV – TiC : 3 000 HV – TaC : 1 700 HV – NbC : 2 000 HV Grande résistance à la flexion Bonne conductibilité thermique Dureté à chaud rendant possible l’usinage jusqu’à 1 000 °C Faible dilatation thermique

Technique métallurgique par frittage de poudre

Grand nombre d’opérations d’usinage

Carbures de tungstène ordinaires (WC-Co) : tungstène (W), cobalt (Co), carbures de tantale (TaC) et parfois de niobium (NbC) 5 %

Phase α : carbures de tungstène Phase β : carbures de cobalt

Carbures de tungstène ordinaires (WC-Co) : usinage de fontes et de matières non métalliques

Carbures anticriquage : de tungstène (WC), de titane (TiC), de tantale (TaC), de niobium (NbC), de tungstène-cobalt (WC-Co)

Grande résistance au criquage

Résistance à la flexion

Résistance importante à l’usure par diffusion

Phase gamma (γ) additionnelle

Carbures solubles formant un agglomérat sans liant métallique

Usinage des aciers

Carbures micrograin. Structure granulométrique très fine (0,2 à 1 µm) liée par du cobalt (8 à 20 %)

Ténacité plus élevée que celle des carbures de titane Valeurs importantes de dureté, de résistance à l’usure et de résistance mécanique

Permet l’obtention d’arêtes coupantes très fines

Usinage des aciers traités, des aciers alliés et des aciers inoxydables

Cermets Carbures cémentés à base de carbure de titane (TiC), de carbonitrure de titane (TiCN), de nitrure de titane (TiN) Liant au nickel (10 à 20 %)

Excellente stabilité chimique : – Résistance à l’usure par diffusion – Dureté à chaud

Faible usure par oxydation, mais formation d’arêtes rapportées

Composition de céramique et de métal Production de poudre, pressage des ébauches, frittage, traitement des plaquettes

Tournage et fraisage à haute vitesse de coupe Opération de finition

5

Carbures métalliques à revêtement de 2 à 12 µm d’épaisseur

Revêtement de carbure de titane (TiC) de dureté 3 000 HV

Bonne résistance à la déformation plastique et à la fatigue thermique Résistance élevée à l’usure

Déposition chimique en phase vapeur (CVD)

Tournage, fraisage, perçage

Revêtement de nitrure de titane (TiN) de dureté 2 200 HV

Faible coefficient de frottement sur la face de coupe Résistance élevée à l’usure en cratère

Revêtement d’oxyde d’alumi-nium (Al2O3) de dureté 2 300 HV

Bonne résistance à l’usure Chimiquement inerte (forme une barrière chimique et thermique entre l’outil et le copeau)

Revêtement multicouches de carbure de titane (TiC), d’oxyde d’aluminium (Al2O3) et de nitrure de titane (TiN)

Performances plus élevées que celles des plaquettes unicouches État de surface des pièces comparable à celui des plaquettes unicouches



170 Chapitre 5

Tableau 5.1 (suite) Matériaux de la partie active et ses attributs


6

Céramiques À base d’oxyde d’aluminium (Al2O3) :

Résistance, ténacité et conductibilité relativement faibles L’addition d’oxyde de zirconium améliore leurs performances

Pressage à froid ou à chaud Usinage des fontes grises

– A1 : aluminium pur

– A2 mixtes : oxyde d’aluminium (Al2O3) et carbure de titane (TiC)

Résistance élevée aux chocs thermiques Sensibilité acceptable à la fissuration

Pressage à chaud

– A3 : renforcé par des fibres Ténacité, tenue et résistance aux chocs thermiques très élevées

Pressage à chaud pour une meilleure répartition des fibres

Usinage des alliages réfractaires, de l’acier trempé, des fontes Coupe intermittente

À base de nitrure de silicium (Si3N4)

Résistance aux chocs thermiques et ténacité supérieures à celles des céra-miques à base d’oxyde d’aluminium

Pressage à froid et frittage ou pressage à chaud et formage par meulage (meilleure technique)

Usinage de fonte grise à sec ou avec arrosage à vitesse de coupe supérieure à 450 m/min

7

Nitrure de bore cubique (matériau synthétique)

Deux formes structurales : hexagonale et cubique (dureté juste au-dessous de celle du diamant)

Grande dureté à chaud jusqu’à 2 000 °C Excellente résistance à l’usure par abrasion Bonne stabilité chimique Relativement fragile par rapport aux céramiques

Structure hexagonale devenant cubique lorsque la température > 1 500 °C et à des pressions de 50 à 100 hbar Les arêtes doivent être chanfreinées et rodées

Tournage des pièces en acier trempé, en acier forgé, en fonte, en alliage réfractaire Usinage des matériaux très durs (dureté égale ou supérieure à 45 HRC)


5.3 TOURNAGE Le tournage est une opération qui consiste à façonner une pièce cylindrique au moyen d’un tour. La figure 5.2 présente les opérations courantes de tournage et les outils appropriés.

Dans les conditions de fabrication en série, il est très économique d’utiliser les tours à commande numérique (CN) pour l’usinage des arbres étagés avec surface curviligne (fig. 5.3). Cela permet de diminuer le temps pièce de 1,5 à 2 fois grâce à la diminution du temps secondaire (temps improductif ou ts). La valeur du temps secondaire se compose du temps de changement de la coordonnée unitaire, du temps de changement d’outil et du temps de chargement/déchargement de la pièce.

Étant donné une pièce brute laminée, on exécute l’usinage d’ébauchage en quatre passes successives et une opération de finition suivant le contour de la pièce en une passe finale de l’outil. On y utilise une pointe d’entraînement à la poupée avant par un élément sphérique.

La figure 5.4 montre un tour à CN à deux tourelles montées sur un chariot transversal.

Procédés d'usinage conventionnels 171

Mc

Opération : dressageOutil : outil à dresser

Ma

Ma

Ma

Opération : rainurage-profilage Outil : outil profiléà saigner

Opération : chariotage du contour à CNOutil : outil à charioter

Ma

Opération : chariotageOutil : outil à charioter droit

Opération : perçageOutil : foret

Opération : alésageOutil : foret aléseur

Opération : alésageOutil : alésoir machine

Ma

Ma

Opération : filetageOutil : outil à fileter

Ma

Ma

Opération : alésage-dressageOutil : outil à aléser-dresser

Opération : rainurageextérieur

Outil : outil à saigner

Ma

Pas de filet

Figure 5.2 Opérations courantes de tournage et outils appropriés. [Ma = mouvement d’avance; Mc = mouvement de coupe.]

172 Chapitre 5

A

A

Coupe A-A

Pièce brute laminée

1

2 3

4

5

Mc

(b)

(a)

Figure 5.3 Trajectoires de l’outil lors du tournage sur un tour : a) de côté; b) coupe A-A. [1, 2, 3 et 4 = passes préalables d’enlèvement de matière (ébauchage); 5 = chariotage du profil final; Mc = mouvement de coupe.]

Figure 5.4 Tour à CN à deux tourelles montées sur un chariot transversal. [1 = commande électrique principale; 2 = commande de la broche; 3 = boîte de vitesse; 4 = mandrin à trois mors; 5 et 9 = chariot transversal; 6 et 8 = tourelle révolver (porte-outil); 7 = contre-poupée.]

1

2

3 45

6

7

8

9

Chapitre 6

Précisions de fabrication et d’assemblage

6.1 INTRODUCTION Dans ce chapitre, nous examinerons la précision avec laquelle l’usinage et le prototypage rapide permettent de réaliser des pièces. Nous verrons aussi comment calculer la précision d’un assemblage quant à sa fonctionnalité et comment évaluer son degré de correspondance aux paramètres définis. L’évaluation s’effectue en comparant la tolérance de la cote résultante avec la valeur prévue par le bureau d’étude.

En général, la précision concerne les paramètres géométriques. La précision des assemblages est étroitement liée à la précision des pièces, puisque la précision des pièces conjuguées détermine le jeu ou le serrage dans l’assemblage. À son tour, l’assemblage peut provoquer des erreurs de position relative des pièces ainsi que leur déformation, ce qui diminue la fiabilité de fonctionnement des machines. C’est pourquoi il faut connaître le degré de précision qu’on peut obtenir avec un procédé donné, comme l’usinage, l’assemblage et le prototypage rapide.

Dans ce chapitre, nous verrons des exemples de tolérancement dimensionnel et géométrique, après avoir résumé rapidement la théorie et les normes du tolérancement qui dépend du rôle fonctionnel de la pièce ainsi que de la présence de telle ou telle erreur primaire de fabrication. Une présentation des moyens de mesure de la précision avec leurs caractéristiques permettra ensuite de choisir les instruments pertinents.

Nous présenterons aussi les outils d’estimation de la précision par méthodes statistiques, dont l’objectif n’est pas de dresser un portrait statistique et détaillé de la précision d’usinage, mais plutôt d’établir à travers des cas industriels les conditions de fabrication d’un grand nombre de pièces similaires.

L’article 6.2.4 traite de la nature des erreurs primaires d’usinage et amène à choisir une stratégie pour leur diminution, laquelle est présentée à l’article 6.2.5. Pour appliquer la théorie des erreurs primaires à une situation réelle correspondant à l’usinage, nous avons élaboré des modèles de calcul de la précision d’usinage à l’article 6.2.6.

La section 6.3 poursuit l’analyse des erreurs primaires à appliquer à la précision du prototypage rapide.

À la section 6.4, nous examinons la précision d’assemblage rigide ou élastique dans le calcul de précision de la cote résultante en nous basant sur les différents principes d’interchangeabilité.

L’autoévaluation en fin de chapitre porte sur des sujets courants en précision de fabrication et d’assemblage.

6.2 PRÉCISION D’USINAGE La précision d’usinage reflète la précision dimensionnelle et géométrique qu’on doit atteindre et mesurer de façon adéquate à toutes les étapes de la réalisation des pièces. Les résultats des mesures prises sont estimés par une méthode statistique.

La précision d’usinage est déterminée par les paramètres du processus de fabrication; les erreurs générées sont appelées « erreurs primaires ». L’identification et l’analyse de ces erreurs permettent d’établir une stratégie afin de les diminuer. Chaque paramètre de la précision d’usinage (tolérance dimensionnelle, tolérance géométrique de forme ou tolérance géométrique de position relative) a sa propre méthode de calcul. Examinons de plus près les éléments de la précision d’usinage.

208 Chapitre 6

6.2.1 Précisions dimensionnelle et géométrique La précision dimensionnelle est caractérisée par la tolérance dimensionnelle, TD. La précision géométrique peut être exprimée par la tolérance de forme, TG (F), et par la tolérance de position relative, TG (P).

Il existe la relation suivante entre ces paramètres : TG (F) ≤ TD (6.1)

Plus précisément : • si la précision géométrique de forme est normale : TG (F) = 0,3 TD; • en présence d’une haute précision géométrique de forme : TG (F) = 0,2 TD; • pour une très haute précision géométrique de forme : TG (F) = 0,12 TD.

Selon les conditions de fonctionnement de la pièce et les possibilités technologiques, la tolérance géomé-trique de position TG (P) s’exprime de la manière suivante :

TG (P) > TD ou TG (P) < TD (6.2)

La figure 6.1 montre des exemples de tolérancement issus d’un bureau d’études dans lesquels les valeurs de TD, de TG (P) et de TG (F) sont précisées.

Figure 6.1 Exemples de tolérancement dimensionnel et géométrique : a) relation entre la tolérance géomé-

trique de position et la tolérance dimensionnelle; b) et c) relation entre la tolérance géométrique de forme et la tolérance dimensionnelle. [TD = tolérance dimensionnelle; TG (F) = tolérance géométrique de forme; TG (P) = tolérance géométrique de position.]

Précisions de fabrication et d’assemblage 209

Le dessin technique d’une pièce prismatique à la figure 6.2 fournit un exemple complet du dimensionnement et du tolérancement avec TD, TG (F) et TG (P).

Figure 6.2 Dimensionnement et tolérancement d’une pièce prismatique avec certains éléments de révolu-tion (en pouces).

Le tableau 6.1 établit le lien entre la conception et la fabrication d’une pièce en tolérancement ainsi que TD, TG (F) et TG (P) en fonction de la pièce.

Afin d’examiner le maintien de la précision d’usinage TD, TG (F) et TG (P), considérons le cas où une pièce doit se déplacer dans une glissière. Si les dimensions A1 et A2 s’écartent du jeu fonctionnel JA (fig. 6.3a), il peut se produire un coincement (fig. 6.3b). Il faut donc s’assurer de l’exactitude des dimensions considérées, à savoir la précision des cotes A1 et A2. Mais quelle tolérance de jeu peut-on accepter? La figure 6.3c montre une méthode qualitative pour déterminer la valeur optimale en appliquant la tolérance du jeu au cylindre-piston. La courbe Cfabr caractérise une modification du coût de leur fabrication tandis que la courbe Cfonct montre une augmentation du coût de fonctionnement en fonction du frottement et des fuites hydrauliques.


210 Chapitre 6

Tableau 6.1 Lien entre la conception et la fabrication d’une pièce en tolérancement

Attribut

Tolérance dimensionnelle

(TD) Tolérance géométrique (TG)

Cot

e di

amét

rale

ou

rayo

n

Cot

e an

gula

ire

Cot

e lin

éaire

Cot

e as

soci

ée

Tolérance de forme (TG [F])

Tolérance de position relative (TG [P])

Rec

titud

e

Plan

éité

Circ

ular

ité

Cyl

indr

icité

Prof

il de

lign

e

Prof

il de

surf

ace

Para

llélis

me

Perp

endi

cula

rité

Incl

inai

son

Con

cent

ricité

Sym

étrie

Loca

lisat

ion Battement

Sim

ple

Tota

l

Symbolisation

Fonction de la pièce Conception

Positionner, localiser √ √ √ √ √ √ √ √ √ Maintenir √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Insérer √ √ √ √ √ √

Fixer par serrage √ √ √ √ √ √ √

Isoler, protéger √ √ √ √ √

Assurer la coaxialité √ √ √ √ √ Transmettre la charge √ √ √ √ √ Assurer le jeu dynamique √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Assembler avec jeu √ √ √ √ √ √ √

Mettre le joint √ √ √ √ √ √ √

Orienter √ √ √ √ √ √ √ √ Erreurs primaires intrinsèques de : Fabrication par usinage

Positionnement, εP √ √ √ √

Déformations élastiques, Δy √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Réglage, Δr √ √ √ √ √

Usure d’outil, Δu √ √ √ √ √ √ √ √ Déformations thermiques, ΔT √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Imprécision de MO, Δm-o √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Imprécision d’outil, Δout √ √ √ √

Contrainte résiduelle, σrés √ √ √ √ √ √ √ √

Erreurs primaires intrinsèques supplémentaires de : Fabrication par usinage sur MOCN

Reproduction de contour théorique √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √

Non-régularité de marche de la commande √ √ √ √ √ √ √ √ √ √

Erreur accumulée des éléments de mesure et de vis-mère √ √ √ √ √

Jeu √ √ √ √ √ √ Vitesse de la commande √ √ √ √


Coincement

A2

A1A2

A1

JA

Coût

TD : tolérance dimensionnelle

Cfonct Cfabr

TDoptim

(a) (b)

CΣ min

Σ = Cfonct + Cfabr

(c) Figure 6.3 Maintien fiable de la précision pour une pièce devant se déplacer dans une glissière : a) jeu

fonctionnel; b) coincement; c) méthode pour déterminer la valeur optimale de tolérance dimensionnelle. [A1 et A2 = dimensions par rapport au jeu dimensionnel; CΣmin = coût de fabrication et de fonctionnement minimum; Cfabr = coût de fabrication; Cfonct = coût de fonctionnement; JA = jeu fonctionnel; TDoptim = tolérance dimensionnelle optimale.]

Dans certains cas, il convient d’établir une tolérance géométrique de forme TG (F) adéquate. La fiabilité du fonctionnement d’un combustible nucléaire (UO2 en comprimés avec enveloppe en alliage zircon) dépend d’une distorsion possible des comprimés causée par l’expansion thermique. La figure 6.4 permet de visualiser ce phénomène (Korsakov et al., 1992). La concavité est obtenue lors du pressage des comprimés d’UO2 par une forme convenable de poinçon. On obtient ainsi un bon contact local des comprimés du combustible nucléaire qui permettra un transfert efficace de chaleur.


212 Chapitre 6

Figure 6.4 Maintien fiable de la précision pour un comprimé cylindrique d’UO2 : a) température du

comprimé en fonction de la distance; b) tolérance géométrique de forme lors de la déformation thermique du comprimé; c) déformation thermique du comprimé avec forme corrigée. [1 = comprimé après expansion thermique; 2 = comprimé avant expansion thermique; 3 = concavité obtenue lors du pressage des comprimés; Tº = température; X = distance.]

La figure 6.5 montre l’influence de TG (F) sur la durée de vie d’un produit. La diminution des défauts particuliers (en diabolo, en cône et en tonneau) des portées du vilebrequin pour un camion conduit à une augmentation considérable de la durée de vie du coussinet conjugué.

Dans un autre cas, le taillage des engrenages permet une coaxilité, TG (P) = 0,05 (fig. 6.6). Cela donne lieu à des chocs inutiles entre les dents lors du fonctionnement. Afin d’éviter cet inconvénient, on effectue le rasage des dents pour obtenir une tolérance TG (P) = 0,02.

Considérons les surfaces élémentaires (cylindre, plan, cône, etc.) ainsi que les sections des surfaces splines, cubiques et de Bézier, comme les contours d’une pièce.

L’action des erreurs primaires telles que les déformations élastiques et thermiques ainsi que l’imprécision géométrique de la MOCN vont contribuer à une distorsion du contour programmé. Par conséquent, le contour donné C est transformé pour donner le contour réel.

La figure 6.7 propose l’interprétation paramétrique des tolérances TD, TG (F) et TG (P) sur un champ vectoriel. L’ensemble des écarts est présenté sous la forme du champ vectoriel dont le vecteur ΔΣk part du contour donné C. Ce vecteur indique la direction et la grandeur de la distorsion. Chaque point {z1, z2, ..., zm} du contour C correspond au point { }1 2 mz , z , ..., z du contour réel C.

Le degré de conformité du contour C par rapport au contour réel C est estimé par les paramètres de qualité tels que l’erreur des cotes ΔC du contour réel qui est une différence entre les cotes l1 du contour donné et les cotes réelles 1l :

ΔC = 1l – l1 = TD TD = (E – 1) × l1 (6.3)

où E est le coefficient d’extension du contour moyen réel MC .


Figure 6.5 Maintien fiable de la tolérance géométrique de forme : vilebrequin d’un camion.

Figure 6.6 Maintien fiable de la tolérance géométrique de position pour un engrenage de deux roues

dentées : a) interprétation géométrique d’une coaxilité; b) influence technologique sur tolérance géométrique de position. [R1 et R2 = rayons entre l’axe de rotation et le diamètre primitif.]


214 Chapitre 6

C

C

1Z 2Z

kZ

nZ

mZ

1Z 2Z

kZ

nZ

mZ

ϕ

O(x, y)

O(U,V)

1l

1l

y

x

MC

K

n

ΣΔ 1

2ΣΔ

Δd

nΣΔ

ΣΔ k

Figure 6.7 Interprétation de la précision dimensionnelle et géométrique pour une pièce avec un contour

donné (élément interne ou externe). [ΔΣ1, ΔΣ2,…, ΔΣn = vecteurs de position des points Z par rapport aux points Z; Δd = vecteur de la position du point O par rapport au point O (vecteur du déplacement); ϕ = angle du pivotement du contour donné; C = contour donné (prévu par le programme); C = contour réel; MC = contour réel moyen; K, n = points sur le contour donné C; l1 = cote sur le contour donné; 1l = cote sur le contour réel; O = centre du contour donné; O = centre du contour réel; U, V = coordonnées du centre O du contour réel; Z1, Z2, ..., Zm = points du contour donné; 1 2 mZ , Z , ..., Z = points du contour réel.] (adapté de Kamsuk et al., 2001.)

La précision d’une forme est caractérisée par l’écart type σ minimal du contour réel par rapport au contour moyen MC . Cette valeur est nommée la tolérance géométrique de forme, TG (F).

La précision d’une position relative est déterminée par le vecteur du déplacement Δd (fig. 6.7) du centre de masse du contour réel C et l’angle ϕ de son pivotement. Le module de ce vecteur est nommé la tolérance géométrique de position, TG (P). Chaque vecteur { }2 m, , ...,Σ Σ ΣΔ Δ Δ1 du champ représente le vecteur d’écart sommaire du contour réel par rapport au contour donné. Cet écart est provoqué par l’action des erreurs primaires d’usinage. Par exemple, pour le point « K », on a :

l

iki 1

Σ=

Δ = Δ∑k (6.4)

où Δik est le vecteur des écarts pour le point K provoqués par l’action i des erreurs primaires d’usinage.

On peut voir à la figure 6.8 l’interprétation des précisions dimensionnelle et géométriques, TD, TG (F) et TG (P), pour la pièce usinée de révolution avec trou central.


Chapitre 7

État de surface et facteurs appropriés

7.1 INTRODUCTION Les états de surface qu’on peut obtenir après la fabrication d’une pièce déterminent la fonctionnalité de celle-ci une fois assemblée, par exemple : pour un assemblage fretté, une étanchéité ou encore un risque d’usure prématurée. La qualité d’un état de surface dépend d’un ensemble de conditions liées au procédé, à la gamme d’usinage, aux phases et aux sous-phases, aux outils, aux machines ainsi qu’à d’autres facteurs.

Dans ce chapitre, nous verrons en premier lieu les facteurs déterminant la qualité des états de surface. Nous examinerons ensuite les techniques qui permettent d’augmenter la durée de vie des produits. Pour conclure, nous suivrons les étapes de la mise au point pour la fiabilité des produits spéciaux.

7.2 ÉTAT DE SURFACE L’appellation « géométrie d’une surface » se rapporte aux fines irrégularités (creux et saillies) produites à la surface d’une pièce par les processus de fabrication (Akamatsu, 1997). La norme française NF E05-015 (Association française de normalisation, 1972) classe les défauts géométriques selon quatre ordres : • ordre 1 : écart de forme, résultant d’un positionnement (mise en place et serrage) de la pièce ou de l’outil,

d’une déformation élastique ou thermique du système technologique en cours de travail; • ordre 2 : ondulation, résultant d’une vibration à basse fréquence de la pièce, de l’outil, ou des deux; • ordre 3 : rugosité, qui peut être constituée de traces géométriques de l’outil, de traces de grains de meule,

de grenaillage; • ordre 4 : rugosité résiduelle, résultant de l’état de surface de l’outil, de vibrations à haute fréquence lors de

l’usinage.

La figure 7.1a présente l’interprétation des défauts géométriques comme éléments d’un profil.

Le terme « état de surface » désigne à la fois : • l’état géométrique de la surface, à savoir les écarts géométriques d’une pièce réalisée en fabrication par

laminage, forgeage, estampage, moulage, usinage mécanique ainsi qu’usinage électrochimique et électro-érosion, par rapport à une pièce géométriquement idéale;

• l’état physico-chimique de la surface, dont différentes caractéristiques de la couche superficielle, à savoir les structures et les phases de variations des couches superficielles, l’écrouissage, les contraintes résiduelles.

Rappelons brièvement les paramètres couramment utilisés dans l’industrie manufacturière. Il s’agit des paramètres Rt, Rmax, Rp, Ra, Rz et ηp, qui caractérisent la rugosité et sont liés à la ligne moyenne, ainsi que du paramètre W qui caractérise l’ondulation. Voyons leurs définitions. • Le paramètre Rt est la distance entre la ligne des saillies et la ligne des creux pour une longueur donnée l

(fig. 7.1b). • Le paramètre Rmax est pris sur une saillie et un creux consécutifs (fig. 7.1c). • Le paramètre Rp est la moyenne des Rpj, calculée à l’aide de l’équation suivante :

j n

j 1

1Rp Rpjn

=

== ∑ (7.1)

où Rpj est la distance entre la ligne des saillies et la ligne moyenne pour une longueur donnée l (fig. 7.1d).

338 Chapitre 7

Figure 7.1 État de surface : a) interprétation des éléments d’un profil (adapté de Barlier et Girardin, 1992);

b) hauteur maximale du profil de rugosité; c) maximum de la hauteur des irrégularités du profil de rugosité; d) hauteur maximale de saillie de rugosité et écart moyen arithmétique du profil de rugosité; e) hauteur des irrégularités de rugosité sur 10 points; f) paramètres d’ondulation; g) longueur portante du profil et niveau de coupe préétabli. [ηp = longueur portante du profil; AWi = pas courant d’ondulation pour n motifs caractéristiques; b1, b2, bi et bn = longueurs de segment obtenues quand on coupe les saillies à un niveau p; Rpj = hauteur maximale courante de saillie de la rugosité; Rz = hauteur des irrégularités de rugosité sur dix points; Wj, Wj+1 = profondeurs courantes d’ondulation; y1, y2, y3, y4 et y5 = hauteurs courantes des irrégularités.]

État de surface et facteurs appropriés 339

• Le paramètre Ra est déterminé par l’équation (fig. 7.1d) : j n

j 1

1Ra Rajn

=

== ∑ (7.2a)

où : l

0

1Raj y dxl

= ∫ (7.2b)

• Le paramètre Rz est donné par l’équation (fig. 7.1e) : j n

j 1

1Rz Rzjn

=

== ∑ (7.3a)

où : 5

ij 1

yRzj

5==∑

(7.3b)

• On trouve la profondeur moyenne d’ondulation W pour n motifs caractéristiques sur la longueur d’éva-luation l grâce à l’équation (fig. 7.1f) :

j m

j 1

1W Wjm

=

== ∑ (7.4)

et le pas moyen d’ondulation AW pour n motifs caractéristiques sur la longueur d’évaluation l à l’aide de l’équation :

i n

i 1

1AW AWin

=

== ∑ (7.5)

• Le paramètre ηp est la somme des longueurs des segments obtenue quand on coupe les saillies par une ligne moyenne à l’intérieur de la longueur de base à un niveau p de coupe préétabli en pourcentage de Rmax (fig. 7.1g) :

ηp = b1 + b2 + … + bn (7.6)

On y utilise le taux de longueur portante tp comme le rapport de la longueur portante à la longueur de base :

ptpl

η= (7.7)

Les figures 7.2a à 7.2e présentent d’autres exemples d’états de surface.

Les contraintes résiduelles σr occupent une place importante dans l’industrie moderne.

On appelle contraintes résiduelles les contraintes qui existent dans une pièce n’étant soumise à aucune action extérieure (Akamatsu, 1997). Dans un matériau polycristallin, on distingue trois ordres de contraintes, selon l’échelle du volume concerné.

• Les contraintes d’ordre I sont macroscopiques. Elles sont homogènes sur un volume constitué de plusieurs grains. Ces contraintes peuvent être causées par une déformation plastique, une variation de température ou un changement de structure du matériau.

• Les contraintes d’ordre II varient à l’échelle d’un grain ou d’une phase. Ces contraintes macroscopiques sont causées par la différence d’orientation des cristaux et l’anisotropie des propriétés élastiques et plastiques des cristaux (Balazinski, 2005).

• Les contraintes d’ordre III concernent l’échelle atomique. Elles résultent de la présence de défauts comme les lacunes et les dislocations.

340 Chapitre 7

Zone décarburée partielle

Couche essentielle

Zone décarburée totale H

Croûte de ferrite

Couche essentielle

F

Croûte de perlite

Rt

AW1 AW2

Ri

ARi

1

4 5

6 7

Écrouissage

2

P

(a) (b)

(c) (d)

3

Figure 7.2 État de surface : a) striés d’usinage; b) couche superficielle durcie de pièce métallique après

l’usinage en ébauchage; c) dureté superficielle d’une pièce en fonte grise; d) dureté super-ficielle d’une pièce en acier forgée ou laminée. [1 = surface réelle; 2 = striés; 3 = strie n° i; 4 = couche contaminée; 5 = gaz absorbé; 6 = oxyde; 7 = couche durcie, couche essentielle; ARi = largeur de strie i; AW1 = largeur d’ondulation 1; AW2 = largeur d’ondulation 2; F = ferrite; P = perlite; Ri = hauteur de strie i; Rt = hauteur maximale du profil de rugosité.]

En général, ce sont les contraintes d’ordre I dont il faut tenir compte dans la fabrication de pointe. Nous allons examiner la formation de ces contraintes à l’aide de la figure 7.3.

On peut voir dans la figure 7.3a que la couche superficielle de la pièce usinée est déformée élastiquement et plastiquement sous l’action de la force de coupe F.

La composante normale FN provoque une déformation de compression, tandis que la composante tangen-tielle Ft crée les déformations de traction et de cisaillement. La compression des éléments de la pièce suivant l’axe des y provoque une augmentation de leurs dimensions suivant l’axe des z, ce qui entraîne l’apparition des contraintes de compression. On peut estimer la relation entre les contraintes normales et les contraintes de compression provoquées par celles-ci à l’aide du coefficient de Poisson ν (Dalsky et al., 2000) :

ν × FN > Ft (7.8a)

t

N

F ctgF

= θ (7.8b)

Selon le triangle ABC (fig. 7.3b), on a : ˆ ÂCB ABC 180θ + + = ° (7.8c)

et, d’autre part : ÂCB 90= ° − φ

et ˆ ÂBC 180 CBD 180= ° − = ° − δ (7.8d)


+

A

-

+

A

-

A1A 2

A3A4

A1 A2 A3 A4

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M

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(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f) (g)

Figure 7.3 Formation des contraintes résiduelles pendant l’usinage : a) vue en coupe de l’opération d’usinage mécanique; b) schéma géométrique; c) contraintes en processus d’usinage avec la ligne AC parallèle à la direction de la force de coupe; d) contraintes résiduelles; e) contraintes mécaniques résiduelles induites courantes (adapté de Jang et Seireg, 1990); f) contraintes thermiques résiduelles induites courantes (adapté de Jang et Seireg, 1990); g) génération des contraintes résiduelles aux points A1, A2, A3 et A4. [1 = chargement; 2 = déchargement; α = angle de dépouille; γ = angle de coupe; δ = angle qui comporte l’angle de dépouille α et le taillant; θ = angle entre la force de coupe F et l’axe de coordonnée 0z; σ = contrainte; φ = angle de cisaillement du copeau; A, B, C, D, M et N = points caractéristiques du schéma géométrique; A1, A2, A3 et A4 = points courants du contact du bec de l’outil avec la pièce; FN = force normale; Ft = force tangentielle; M = point final de la ligne du cisaillement du copeau.]

Si on insère l’équation 7.8d dans l’équation 7.8c, on obtient : θ = φ + δ − 90° (7.8e)

où φ = angle de frottement entre le copeau et la face de coupe de l’outil = angle de cisaillement du copeau δ = angle qui comporte l’angle de dépouille α et le taillant β(δ = β + α)

Ayant γ = 90° – δ, on exprime l’équation 7.8c d’une autre façon : θ = φ – γ (7.8f)


342 Chapitre 7

De là, l’inégalité représentée par les équations 7.8a et 7.8b prend la forme : ν > ctg(φ – γ ) (7.8g)

Ainsi, on a (Dalsky et al., 2000) : • ν = 0,3 pour les déformations volumiques élastiques; • ν = 0,5 pour les déformations volumiques plastiques; • ν = 1,0 pour l’état plan de déformations plastiques.

Par conséquent, pour les déformations plastiques intrinsèques d’état possible géométrique (plan et volume), si on insère les valeurs ci-dessus dans l’expression 7.8g, on a :

(1 à 0,5) > ctg(φ – γ ) ou (φ – γ ) > (45° à 72°) (7.8h)

Le but en fabrication est d’augmenter la valeur (φ – γ) par la sélection de conditions de coupe, afin de diminuer les déformations nuisibles de traction tout en accroissant les déformations de compression. Les contraintes résultantes résiduelles (fig. 7.3d) résultent de la soustraction des contraintes élastiques de déchargement 1 des contraintes mécaniques induites courantes 2 (fig. 7.3c).

Les contraintes résiduelles induites par la fabrication d’usinage sont toujours multiaxiales. Par exemple, dans certains cas, les transformations de phase, notamment pendant l’usinage des pièces en alliage de titane sous l’action de la température et des déformations plastiques, exercent une influence importante sur le signe et la valeur des contraintes résiduelles.

On peut voir les contraintes mécaniques induites courantes et les contraintes thermiques (fig. 7.3g) selon une position de la zone observée par rapport à l’outil travaillant en tournage.

Il convient de remarquer que les contraintes résiduelles σr se superposent aux champs de contraintes de fonctionnement σf de la pièce. La contrainte réelle à laquelle est soumise la pièce vaut alors (σr + σf). En général, la contrainte résiduelle de compression, jouant un rôle positif, a aussi un effet favorable sur la tenue en fatigue découlant de la diminution de la contrainte résultante.

La déformation plastique de la couche superficielle est caractérisée par l’écrouissage (microdureté) Hd en Vickers HV, par un degré d’écrouissage Hξ en pourcentage et par une profondeur de la couche écrouie he en micromètres. Le degré d’écrouissage est déterminé comme suit :

1H HH 100 %Hξ−= × (7.9)

où H1 = écrouissage (microdureté) mesuré sur la surface supérieure de la couche en HV H = microdureté du cœur du métal en HV

7.2.1 Influence de l’état de surface sur le fonctionnement des pièces

Le fonctionnement des pièces dans diverses conditions peut mettre en présence divers phénomènes tels que le frottement et l’usure, l’écaillage, la vibration, la fatigue, la précontrainte et le patinage de l’embrayage, la pression hertzienne, la radioactivité, la vitesse critique et l’effort d’inertie, l’irréversibilité, l’échauffement et l’instabilité, l’écoulement fluide. La présence d’un ou de plusieurs de ces phénomènes relève du fonction-nement de la pièce examinée et détermine les paramètres du fonctionnement tels que : • la résistance à l’usure, • la rigidité des joints, • la résistance à la corrosion sous le rayonnement γ, • la résistance à la corrosion intercristalline, • la résistance à la corrosion, • la résistance à la radiation, • la résistance à la corrosion sous contraintes, • la tenue en fatigue.


Les concepteurs doivent tenir compte des fonctions de la surface considérée ou de phénomènes qui déterminent les paramètres du fonctionnement, par exemple la résistance à l’usure, pour préciser le paramètre de rugosité Ra. Le tableau 7.1 présente les paramètres de rugosité Ra admissibles selon la fonction des pièces.

Tableau 7.1 Paramètres de rugosité Ra admissibles selon la fonction de la surface ou le phénomène de fonctionnement

Fonction de surface ou phénomène Exemple

Rugosité Ra (μm) Alésage Arbre

Liaison cylindrique Tige – moyeu mobile Tige – moyeu immobile

1,25 à 0,32 0,63 à 0,16

Frottement de glissant

Ajustement glissant 0,63 à 0,32 0,63 à 0,08 Ajustement incertain 1,25 à 0,32 0,63 à 0,16 Ajustement avec serrage (à la presse) 1,25 à 0,16 0,63 à 0,08 Assemblage fixe avec jeu, centrage démontable 0,32 Assemblage fixe avec jeu, centrage précis 1,6 Guidage (glissière de MO) 0,4 Denture de fonctionnement du pignon de chaîne 3,2 Jante de poulie 3,2 Filet de vis sans fin en fonction d’une qualité de précision 0,2 à 1,6 Profil de la roue dentée en fonction d’une qualité de précision 0,4 à 3,2

Frottement de roulement

Galet de roulement 0,4 Chemin de roulement à bille 0,02

Mise en position

Assemblage par des cannelures avec centrage suivant : Diamètre extérieur 1,25 à 0,16 0,63 à 0,16 Diamètre intérieur 0,32 à 0,04 1,25 à 0,32 Clavetage 5 à 1,25 2,5 à 0,6

Rainure de clavette aux arbres : Surface de fonctionnement 1,6 Surface moins importante 3,2

Contact fixe

Épaulement d’arbre pour la mise en place : des roulements à une qualité de précision 0 1,6 des roues dentées 1,6 à 3,2 Surface d’appui sous la tête de vis, écrou, boulon 6,3

Étanchéité statique Portée d’arbre à mettre en place des garnitures 0,4 Joint plat 1,6

Étanchéité dynamique Portée de joint V – anneau 0,8 Portée de joint 4 lobes 0,4

Frottement fluide Piston, tige 0,63 à 0,08 0,32 à 0,08 Conduit, canalisation, tuyauterie 6,3 Injecteur, gicleur, valve 0,2

Adhérence Pièces à coller en fonction du matériau et du type d’assemblage 0,8 à 3,2 (Rz = 10 μm pour le collage des pièces cylindriques)

Fatigue Barre de torsion 0,2 à 2,0 Balancier de suspension du char de combat (portée) 1,25 Vilebrequin d’un mécanisme de traction de la chenille (portée) 2,5

Libre, sans contact

Gorge, chanfrein, arrondi, embrèvement, chambrage sur la roue 6,3 Face libre de la roue dentée 6,3 Avant-trous pour la visserie 12,5 Surface libre de pièce (bout d’arbre, surface moins importante de la roue) :

Charge moyenne 10 à 2,5 Charge élevée, haute cyclique 2,6 à 0,32

344 Chapitre 7

Examinons l’influence de l’état de surface sur les huit paramètres de fonctionnement mentionnés précédemment.

Résistance à l’usure. Plus de 80 % des machines tombent en panne à cause de l’usure. Une paire de pièces fonctionne avec un ajustement avec jeu (fig. 7.4a). Le piston fait un mouvement de va-et-vient. Cette paire a été usinée par trois différents procédés d’usinage représentés par les courbes 1, 2 et 3 dans la figure 7.4b.

Le processus de rodage s’exécute avec différentes intensités en fonction du procédé d’usinage des pièces considérées. Après rodage, la rugosité est devenue équipotentielle (fig. 7.4g) et l’usure dans le temps de trois paires de pièces est soumise à une même loi (fig. 7.4b).

Le profil initial de la rugosité se transforme en profil de fonctionnement à la fin du processus de rodage sous l’action des forces appliquées (fig. 7.4f et g). Ce profil de fonctionnement, nommé rugosité équipotentielle, ne dépend pas du profil initial des pièces frottées, mais plutôt des conditions de frottement : la pression sur le contour et les propriétés physiques et mécaniques des matériaux.

Par contre, pour une usure admissible, la durée de vie d’un produit τ1, τ2 et τ3 est différente selon les procé-dés d’usinage choisis (fig. 7.4b).

Pour atteindre l’usure minimale lors de l’écrouissage Hd (fig. 7.4c), il est nécessaire de tenir compte du type de frottement : le frottement avec graissage en régime demi-onctueux (courbe 6) assure une usure moindre que les frottements secs selon les courbes 4 et 5.

L’usure minimale pendant le glissement du chariot 7 sur la glissière 8 (fig. 7.4d) a lieu pour la rugosité 10 des surfaces 9 avec la plus grande valeur de ηp, malgré une même valeur de Rmax (10 et 11).

Il existe une zone optimale d’écrouissage (> 10 %) dans laquelle on peut obtenir une usure moindre (fig. 7.4h).

Rigidité des joints. Si les sillons d’usinage des deux pièces coïncident lors du contact, la rigidité des joints est plus grande que pour deux pièces dont les sillons ne coïncident pas (fig. 7.4i).

Résistance à la corrosion sous rayonnement γ. La figure 7.5a présente une chambre « à chaud » pour les travaux effectués avec un produit en Pu239. Afin de garantir une bonne résistance à la corrosion sous rayonnement γ (fig. 7.5b), il faudra atteindre Ra = 0,63 μm après le soudage de l’enveloppe de protection en acier inoxydable 2 (fig. 7.5a).

Résistance à la corrosion intercristalline. Ce type de résistance est caractérisé par la détérioration des métaux suivant les joints de grains (l’acier inoxydable austénitique). On y observe l’appauvrissement des carbures de chrome et des σ-phases. Ces phénomènes aboutissent à une apparition de contraintes sur les joints de grains intrinsèques à la précipitation de nouvelles phases. L’apparition d’écrouissage lors de procédés d’assemblage ou d’usinage accélère le processus de corrosion intercristalline. L’assemblage du tube 4 et de la plaque tubulaire 5 par dudgeonnage (fig. 7.5c) provoque un écrouissage dans la zone 6 de la plaque (fig. 7.5g) qui contribue à la corrosion (fig. 7.5d). Toutefois, une technologie de fabrication avancée, l’assemblage par explosion, exclut complètement la formation d’écrouissage grâce à l’application d’une force impulsive. En outre, elle produit une frontière en forme de labyrinthe 8 entre le tube 7 et la plaque 9 qui améliore l’étanchéité (fig. 7.5e), et dont la valeur est plus grande à mesure que la rugosité augmente (fig. 7.5f).

Christian MascleWaleryWygowski

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épine à 1,03125 po

www.polymtl.ca/pub

ISBN : 978-2-553-01551-9

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Dans le domaine industriel, le mot « Innovation » évoque souvent

l’idée de nouveau produit et de com-pétitivité, et donc de productivité, de qua-

lité, d’adaptabilité et de responsabilité. Cette innovation est parfois celle des produits eux-

mêmes, mais plus couramment dans l’industrie, elle se situe dans l’évolution des moyens employés pour

la production de ces objets, c’est-à-dire dans le passage vers des procédés et des méthodes de fabrication de pointe.

C’est dans cette optique de recherche de la performance, tant dans la fabrication industrielle que dans l’industrialisation

des produits, que s’inscrit Fabrication avancée et méthodes industrielles – Du dossier produit au dossier fabrication.

Comment comprendre la réalité de la fabrication industrielle et du travail du bureau des méthodes? Comment transformer des matiè-

res premières minérales en produits fabriqués fonctionnels? Enfin, com-ment élaborer le dossier de fabrication à partir du dossier produit issu du

bureau d’études? C’est ce que le lecteur apprendra en parcourant les diffé-rents chapitres des deux tomes de ce livre : compétitivité industrielle, qualité

des produits et respect de la norme ISO 9000, gabarits de contrôle des pièces, procédés d’obtention et calculs d’une pièce brute, procédés d’usinage, précision,

état de surface, fiabilité technologique, mesures de la productivité, calcul des coûts de fabrication, montages d’usinage, processus et analyse de fabrication, charte de

tolérances, procédés d’assemblage conventionnels et non conventionnels. Ce livre unique en français couvre l’ensemble des étapes de fabrication des produits,

de l’élaboration de leur brut à leur assemblage. Il propose une description de l’ensem-ble des procédés et fournit les outils pour calculer les principaux paramètres d’élabora-

tion des pièces et en assurer le contrôle. Il est destiné aux étudiants en génie mécanique, mais aussi aux ingénieurs praticiens qui sont aux prises avec des problèmes d’industria-

lisation de produits ou de fiabilité de machines de production.

Christian Mascle est professeur titulaire au Département de génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal. Il détient un doctorat en microtechnique de l'École

polytechnique fédérale de Lausanne, un baccalauréat en génie mécanique de l'École Polytechnique de Montréal et un diplôme d’ingénieur en microtechnique de l’École

d’ingénieurs du Locle (Suisse). Fort d’une trentaine d’années d’expérience en enseigne-ment et en recherche, il est spécialiste de l’industrialisation, de l’assemblage et de la fabri-cation des produits dans les domaines de l’aérospatiale, de l’automobile et des produits microtechniques.

Walery Wygowski enseigne au Département de génie mécanique et au Service de la forma-tion continue de l'École Polytechnique de Montréal. Il a obtenu son doctorat en sciences appliquées de l'École Polytechnique de Montréal et des diplômes de docteur en sciences techniques et d'ingénieur mécanicien de l'Université technique d'État de Moscou Bauman. Il cumule plus de 40 ans d’expérience pédagogique en génie mécanique dans diverses universités à travers le monde. Il est spécialiste en conception, en fabrication et en industriali-sation de produits dans les domaines de l’aérospatiale, du nucléaire et d’autres industries de produits sophistiqués.

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