Paramètres de profil


L'état de surface des composants mécaniques est vérifié depuis près de 80 ans afin d'améliorer la performance des produits. Les premiers rugosimètres enregistrait les variations de hauteur à l'aide d'une point en diamant en contact avec la surface et déplacée à l'aide d'une unité d'avance linéaire. Le profil mesuré était tracé sur un papier carboné et la valeur du paramètre Ra était affiché sur le cadran d'un galvanomètre. Pendant longtemps, un seul paramètre était connu et utilisé, sous le nom de Ra (Roughness average) ou CLA (Center Line Average) ou encore AA (Arithmetic Average). D'autres paramètres comme le RMS ou le Rq, le Rz ou le Rmax ont ensuite été utilisés, puis un grand nombre d'autres paramètres ; en réalité tant de paramètres que le fameux Prof. David Whitehouse écrivit un papier célèbre sur le parameter rash (l'épidémie de paramètres) [WHITEHOUSE 1982].


Aujourd'hui, les paramètres d'état de surface sont définis dans une poignée de normes internationales qui ont parfois de variantes nationales sous la forme de normes sectorielles (ex: l'automobile ou la sidérurgie). Les paramètres d'état de surface utilisés en profilométrie sont séparés en trois groupes selon le type de profil : les paramètres (de préfixe) P qui sont calculés sur le profil primaire; les paramètres R qui sont calculés sur le profil de rugosité; et les paramètres W qui sont calculés sur le profil d'ondulation.


Longueur de base et longueur d'évaluation

Afin d'atténuer les problèmes de stabilité des premiers profilomètres, tels que le bruit de mesure ou la répétabilité, certains paramètres sont supposés être calculés sur des segments du profils (les longueurs de base) et moyennés sur plusieurs segments. La longueur de base est habituellement définie à partir de la valeur du cut-off (λc) du filtre utilisé pour séparer la rugosité et l'ondulation. Par exemple, en utilisant un cut-off de 0,8 mm et 5 longueurs de base, les paramètres seront estimés sur chaque segment (Ra1, Ra2, ., Ra5) et la valeur finale du paramètre sera la moyenne de ces estimateurs. D'autres paramètres sont définis directement sur la longueur d'évaluation, qui est en général la longueur totale du profil après filtrage. Des détails sont donnés dans la norme [ISO 4288].


Longueur de base = 2,5 mm


ISO 4287 - Méthode du profil - Termes, définitions et paramètres d'état de surface

Il s'agit de la norme principale pour les paramètres de profil dans le système GPS. Elle définit les termes et les équations des paramètres généraux. Ci-dessous, les définitions sont données pour les paramètres R mais elles s'appliquent également aux paramètres P et W.


Paramètres d'amplitude

Rt, hauteur totale du profil : hauteur entre la vallée la plus profonde et le pic le plus haut sur la longueur d'évaluation.

Rp, hauteur maximale des pics : hauteur du pic le plus haut par rapport à la ligne moyenne, sur une longueur de base.

Rv, profondeur maximale des vallées : profondeur de la vallée la plus profonde par rapport à la ligne moyenne, sur une longueur de base.

Rz, hauteur maximale du profil : définie sur une longueur de base, ce paramètre est utilisé fréquemment pour vérifier la présence de pics extrêmes pouvant affecter les contacts statiques ou glissants sur une pièce.

Ra, rugosité moyenne arithmétique du profil : définie sur une longueur de base. Ra est utilisé comme une évaluation globale de l'amplitude de la rugosité du profil mais ne donne aucune information sur la répartition spatiale des irrégularités du profils ni de la forme du profil. Ra est utile pour des surfaces rugueuses aléatoires (stochastiques) usinées avec des outils ne laissant pas trop de marques sur la surface, telles que les surfaces sablées, fraisées ou polies.

Rq, rugosité moyenne quadratique du profil : correspond à l'écart-type de la distribution des hauteurs, sur la longueur d'évaluation. Rq fournit une information totalement corrélée avec Ra.

Rsk, asymétrie du profil : asymétrie de la distribution des hauteurs, définie sur la longueur d'évaluation. Ce paramètre est important car il renseigne sur la morphologie de l'état de surface. Une valeur positive de Rsk correspond à une surface présentant des pics et protubérances dépassant au-dessus le la surface, et donc une distribution décalée vers les points les plus bas, alors qu'une valeur négative correspond à une surface en plateau avec des rayures ou des pores profonds, et une distribution décaléee vers les points les plus hauts. C'est donc un paramètre important pour caractériser des fonctions de contact ou de lubrification. Ce paramètre ne dit rien en revanche de l'amplitude de la rugosité contrairement au Ra.

Rku, applatissement du profil : caractérise la largeur de la distribution des hauteurs. Défini sur la longueur d'évaluation.

Rc, hauteur moyenne des éléments du profil : définie sur la longueur d'évaluation. Ce paramètre peut être calculé sur des surfaces présentant des motifs (texture périodique). Il est proche du paramètre R de la norme ISO 12085 et devrait en ce sens être considéré comme un paramètre de motifs (voir ISO 25178).


 Cours vidéo sur les paramètres d'amplitude de l'ISO 4287

Paramètres spatiaux

RSm, largeur moyenne des éléments du profil : définie sur la longueur d'évaluation*. Ce paramètre permet de caractériser la largeur des motifs des textures périodiques ou pseudo-périodiques, telles que les surfaces tournées ou structurées. RSm n'a aucun sens sur une surface à rugosité aléatoire.
* contrairement à ce qui est précisé dans la norme.


Paramètres hybrides

Rdq, pente moyenne quadratique du profil : définie sur la longueur de base. Rdq est une première approche de la complexité de surface. Une valeur faible correspond à une surface plutôt lisse alors qu'une forte valeur correspond à une surface rugueuse et complexe.

RPc, Densité de pics. A été ajouté par l'amendement 1 de l'ISO 4287. Donne la densité de pics par centimètre de longueur du profil.


Paramètres fonctionnels

Rmr, taux de portance à une profondeur donnée. Ce paramètre donne le pourcentage de matière coupée à une profondeur données depuis le haut du profil. La référence du seuil peut également être prise sur la ligne moyenne ou une autre valeur (c0).

Rdc, différence de hauteur portante. Fournit une valeur robuste de l'amplitude de la rugosité avec Rdc(2%-98%) qui permet d'éliminer les points extrêmes du profil. Le calcul élimine les pics les plus hauts qui sont éliminés par rôdage et les vallées les plus profondes qui sont comblées par les débris. Dans l'industrie automobile, la hauteur de la matière usée lors du rôdage peut être évaluée avec Rdc(1%-33%) et le volume de vide servant de réserve de lubrifiant peut être évalué avec Rdc(25%-99%).


Taux de portance évalué sur la courbe d'Abbott-Firestone.
Le Rmr à 2 µm sous le pic le plus haut vaut 10%.


La hauteur de taux de portance entre 5% et 95% vaut 6,5 µm.



ISO 12085 - Méthode du profil - Paramètres de motifs

Cette norme internationale est issue de la norme française conçue par le CNOMO, le consortium regroupant PSA Peugeot Citroën et Renault, durant les années 1980 et 19090. La méthode est basée sur une construction graphique permettant de segmenter le profil en motifs qui sont ensuite quantifiés en hauteur et largeur. L'originalité et l'intérêt de la méthode provient de la campagne de corrélation qui avait été conduite dans les années 1980 entre la valeur des paramètres et les besoins fonctionnels, corrélation qui avait été établie par mesure de plus de 40 000 pièces automobiles. Cette méthode est couramment appelée à l'étranger la méthode des French motifs ou encore des paramètres R&W.

Aujourd'hui ces paramètres sont moins employés mais les conclusions issues de la campagne de corrélation avec les besoins fonctionnels restent d'actualité et peuvent être appliquées à d'autres paramètres.


Motifs de rugosité

Les motifs sont définis comme un triplet pic-vallée-pic et sont détectés par une méthode de segmentation géométrique. La partie principale de l'algorithme concerne les règles de combinaison des motifs, basées sur quatre conditions et contrôlées par une limite A. La combinaison fusionne les plus petits motifs avec leurs voisins plus grands. A la fin, on ne conserve plus que les motifs significatifs qui jouent un rôle fonctionnel sur la surface.

Paramètres de rugosité

R, profondeur moyenne des motifs de rugosité

AR, largeur moyenne des motifs de rugosité

Rx, profondeur maximale des motifs de rugosité

Ensuite, une enveloppe supérieure est calculée en joignant les sommets de pics par des segments de droite, et la procédure de segmentation est relancée sur l'enveloppe supérieure afin de calculer les motifs d'ondulation, cette fois avec deux limites A et B. Ceci permettant de calculer les paramètres d'ondulation.


Paramètres d'ondulation

W, profondeur moyenne des motifs d'ondulation

AW, largeur moyenne des motifs d'ondulation

Wx, profondeur maximale des motifs d'ondulation

Wte, amplitude de l'enveloppe supérieure


Enveloppe supérieure et motifs d'ondulation




Paramètres recommandés en spécification,
selon la fonction demandée

L'inconvénient de cette méthode est son instabilité car elle est basée sur des conditions de combinaison qui acceptent des exceptions. Elle n'est pas basée strictement sur les mathématiques. La segmentation par la méthode de la ligne de partage des eaux peut être adaptée au cas des profils et les conditions de combinaison peuvent être remplacée par un élagage du type Wolf pruning. Cette nouvelle méthode des motifs doit être ajoutée à l'avenir dans l'ISO 16610, probablement en partie 43. La corrélation entre les deux méthodes est discutée dans [BLATEYRON 2004]



ISO 13565-2 et -3 - Méthode du profil - Surfaces ayant des propriétés différentes selon la hauteur

Cette série de normes est spécialement conçue pour les surfaces stratifiées produites avec un procédé en deux étapes comme par exemple un pierrage suivi d'un polissage. La première partie de la norme, l'ISO 13565-1, définit un filtre spécial en deux passes apportant une certaine robustesse contre les vallées profondes qui sont caractéristiques des surfaces stratifiées. Ce filtre est désormais remplacé avantageusement par le filtre gaussien robuste défini dans l'ISO 16610-31. La partie 2 de la norme ISO 13565 définit un jeu de paramètres Rk qui sont dérivés d'une construction graphique sur la courbe d'Abbott-Firestone. Les paramètres Rk ne devraient être calculés que lorsque la courbe d'Abbott présente une forme en S, autrement la construction graphique peut échouer et les paramètres deviennent inopérants.


Construction graphique des paramètres Rk


Paramètres de l'ISO 13565-2

Rk, profondeur de rugosité du coeur

Rpk, profondeur réduite des pics. Ce paramètre est utilisé pour caractériser les pics saillants qui risquent d'être éliminés durant la phase de rôdage.

Rvk, profondeur réduite des vallées. Ce paramètre est utilisé pour caractériser les vallées qui agissent comme réserve de lubrifiant ou qui seront comblées par les débris issus du rôdage.

MR1 et MR2 : taux de portance délimitant la zone du coeur.

D'autres paramètres tels que A1 et A2, Rpk* ou Rvk* peuvent également être calculés dans MountainsMap pour des applications particulières.

Ces paramètres sont proposés dans le module 2D Automotive module.

Paramètres de l'ISO 13565-3

Cette partie est spécialisée dans la caractérisation de composants aléatoires superposés verticalement, tels que des vallées texturées superposées à des plateaux texturés. Là aussi les paramètres ne devraient être calculés que si la surface est conforme à l'application.

Rpq, rugosité moyenne quadratique des plateaux du profil

Rvq, rugosité moyenne quadratique des vallées du profil

Rmq, taux de portance de la transition plateaux-vallées

Ces paramètres peuvent également être calculés sur le profil primaire, en tant que Ppq, Pvq et Pmq.

Ces paramètres sont proposés dans le module 2D Automotive module.



Autres normes

ASME B46.1

Cette norme américaine est maintenant plus proche des normes ISO qu'elle ne l'a été dans le passé, bien qu'il subsiste encore quelques différences. La différence principale concerne le moyennage des paramètres sur les longueurs de base. Dans l'ASME, tous les paramètres de profil sont calculés sur la longueur d'évaluation et ne sont donc pas moyennés.


VDA 2006

Cette norme de l'industrie automobile allemande reprend des paramètres de l'ISO 4287 et de l'ISO 13565 mais introduit quelques différences pratiques. La différence principale est que le filtre de microrugosité λs est interdit ici. La norme réintroduit également le paramètre Rmax qui existait dans les anciennes versions de l'ISO 4287 et qui est un bon complément du paramètre Rz.


VDA 2007

Cette norme définit des paramètres spécifiques pour l'évaluation de textures périodiques, principalement pour les applications de mattage. Cette méthode est souvant appelée ondulation dominante (Dominant waviness). Cette norme définit trois paramètres calculés après un filtre passe-bande (zero bandpass) :

WDSm, ondulation horizontale

WDc, hauteur moyenne des éléments du profil d'ondulation

WDt, hauteur totale du profil d'ondulation

Ces paramètres sont proposés dans le module 2D Automotive module.

Daimler MBN 31 007-7

Cette norme interne fournit une méthode d'analyse et des paramètres pour caractériser l'étanchéité dynamique d'arbres mécaniques. Cette méthode est parfois appelée analyse Lead ou Twist. Les paramètres suivants sont calculés :

DG, nombre de fils

Dt, profondeur d'attaque

DP, longueur de la période

DF, theoretical supply cross section

DFu, DF par tour

DLu, longueur de contact

Dγ, angle d'attaque

DSγ, angle d'attaque décalé


Les paramètres Dimaler sont proposés dans le module Lead (Twist) Analysis module.

Daimler MBN 31 007-12

Cette norme interne définit un paramètre pour caractériser le profil d'ondulation :

Wst, différence de hauteur maximale absolue du profile d'ondulation



MountainsMap propose plusieurs options pour se conformer à ces normes. Les paramètres ISO sont tous disponibles dans MountainsMap mais parfois en option (voir le module Automobile (Automotive Module)). La norme ASME B46.1 est proposée comme une famille en tant que telle. La norme VDA 2006 peut être utilisée en désactivant l'option de microrugosité au chargement dans les Préférences. Les normes VDA 2007 et MBN 31 007-12 sont disponibles (à partir de la version 7.3) dans le module Automobile (Automotive Module). La norme Daimler d'analyse du Twist est disponible dans un module à part, le module Lead (Twist).

Voir aussi MountainsMap Profile et le module optionnel 2D Advanced Surface Texture.



Vers une refonte totale des normes de profilométrie

Nouvelle structure

A l'automne 2012, le groupe WG16 de l'ISO TC 213 a décidé de démarrer le processus de révision des normes de profil afin de les aligner sur la structure de la norme surfacique ISO 25178. La nouvelle structure comprendra principalement trois parties :

  • Partie 1 - Indications sur les dessins, qui incorporera le contenu de l'ISO 1302, plus de nouveaux symboles.
  • Partie 2 - Définitions et paramètres, qui définira l'ensemble des paramètres issus de l'ISO 4287, de l'ISO 12085 et de l'ISO 13565, plus quelques autres.
  • Partie 3 - Opérateurs de spécification, qui définira les valeurs par défaut et les unités des paramètres.

En août 2016, le projet a été officiellement enregistré à l'ISO sous la référence ISO 21920.

A ce stade, il n'est pas prévu de redéfinir les instruments ni leur étalonnage dans la mesure où ils sont déjà décrits dans l'ISO 25178 parties 60x et 70x, ainsi que dans les parties 70 pour les étalons matérialisés et 71 et 72 pour les étalons logiciels (softgauges).

Agenda

Le principe de la révision a été discuté en 2013 à la réunion d'Helsinki et un premier jet de la partie 2 a été écrit par un sous-groupe de travail au sein du WG16. Les discussions vont continuer probablement jusqu'à fin 2015 quand le document sera envoyé en New Work Item Proposal au secrétariat central à Genève. La publication n'est pas attendue avant 2017-2018.

ISO 1302 ISO 4287


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