Analyser la surface d'une pièce mécanique selon sa fonction

De nombreuses fonctions mécaniques ne mettent en oeuvre qu'une partie de la surface. Par exemple, quand deux surfaces sont en contact - prenons le cas d'un joint d'étanchéité - seules les portions supérieures des surfaces (les pics et les saillies) intéragissent avec la surface opposée. Les creux et les vallées n'interviennent pas dans ce cas.

A l'inverse, la capacité de la surface d'une chambre de combustion d'un cylindre à retenir le lubrifiant pour garantir le glissement du piston ne dépendra que des rainures et porosités de la surface.

Malgré cela, la plupart des spécifications géométriques sur les plans ne mentionnent que des paramètres de champ, en général Ra ou Wa, qui sont calculés sur l'ensemble des points du profil. La majorité des paramètres d'état de surface sont des sommes des hauteurs de tous les points.

Mais saviez-vous qu'une autre famille de paramètres, les paramètres de motifs, ne se calculent que sur certains points ou certaines portions de la surface ?

1. Les motifs R&W

Il y a plus de trente ans, un consortium français de constructeurs automobiles a développé une méthode graphique, les motifs R&W afin d'identifier et caractériser des structures sur les profils (appelés motifs) qui jouent un rôle actif dans la fonction de la surface.

Normalisée par la suite sous la référénce ISO 12085, cette méthode définit les motifs comme des triplet pic-creux-pic. Un algorithme, décrit dans la norme, recherche les extrêma locaux, les assemble en motifs, puis n'en retient que les plus significatifs.

Lorsqu'un motif est considéré comme non-significatif, il est fusionné avec l'un de ses voisins pour former un motif plus large. A la fin de l'algorithme de combinaison, seuls les motifs significatifs sont conservés. Des paramètres sont calculés, pour caractériser les largeurs et hauteurs moyennes, et peuvent être utilisés dans les spécifications.

Cette méthode s'est montrée très efficace et pertinente, notamment grâce à une vaste campagne de mesure et de corrélation fonctionnelle sur plus de 20 000 pièces mécaniques. Cette campagne a permis d'établir des valeurs recommandées de certains paramètres R&W pour chacune des fonctions mécaniques, afin d'aider les designers à indiquer des cotations fonctionnelles pertinentes sur leurs plans.

2. Motifs surfaciques

Plus récemment, une nouvelle méthode de détection de motifs sur une surface a été introduite dans la norme ISO 25178-2. Elle est basée sur la méthode des bassins versants suivie d'une méthode de discrimination permettant de ne conserver que les motifs significatifs de la surface.

Les éléments particuliers retenus peuvent être des points (pics, creux, cols), des lignes (lignes de crête, lignes de cours) ou des portions de surface (collines, vallées) qui peuvent ensuite être caractérisées par des valeurs numériques de hauteur, d'aire, de volume, d'orientation, de forme, etc. Ce sont les paramètres de motifs (Feature parameters, en anglais).

Quand on détecte une vallée (l'équivalent d'un bassin versant) la ligne de crête autour définit les contours du motif (cellule de texture). Les collines sont, elles, entourées d'une ligne de cours. La segmentation et les paramètres associés rend possible la caractérisation de la fonction de la surface, qui définit comment la surface interagit avec son environnement. Cette caractérisation ne tient compte que de certaines portions de la surface.

La segmentation par le partage des eaux (Watershed) peut également être utilisée pour détecter des formes sur la surface via un préfiltrage qui calcule les pentes locales. Cela permet d'identifier automatiquement des objets sur la surface afin d'en réaliser une partition.

De nombreuses applications peuvent bénéficier des paramètres de motifs. Les designers et les métrologues doivent travailler ensemble pour établir des corrélations fonctionnelles entre ces paramètres et des attributs de réglage du processus de production ou les performances de la surface. Evaluer la fonction d'une pièce par les paramètres de motifs permettra d'obtenir de meilleures corrélations fonctionnelles qu'avec les paramètres de champ, comme ce qui a été démontré il y a trente ans avec les motifs R&W. De quoi peut-être s'affranchir du Ra, un paramètre bien peu pertinent sur les surfaces modernes.