Tolérances géométriques de forme

Lorsque nous voulons fabriquer quelque chose (une maison, une petite pièce en bois, un robot, etc) généralement nous commençons par dessiner le futur objet. Le but étant de le visualiser, pour nous, mais aussi pour d’autres.

Pour transmettre leurs désidératas, les professionnels utilisent des dessins avec des notations spécifiques, qui habituellement, suivent les normes de leur métier. Pour illustrer ces annotations, voici, un exemple indiquant la longueur d’un bloc rectangulaire, une brique par exemple.

Tolérances de forme, cotation

L’utilité de ces croquis est de communiquer un ensemble d’informations pour que, n’importe qui connaissant les conventions de représentation, pourra fabriquer l’objet. En réalité, et pour l’avoir passablement vécu, il est très difficile de transmettre tous les renseignements pour que, quiconque, uniquement avec un dessin et ses notations, puissent répondre parfaitement à la demande. Pour illustrer cela, prenons un cas relativement simple, un projet concret, notre futur piquet de clôture. 🙂

  • Piquet de clôture

On le voit, un piquet de clôture, c’est varié, autant par sa forme, sa taille, sa matière, etc, qu’un dessin est utile pour le définir.

Tolérances de forme, cotation

Comme vous le voyez notre poteau est très simple. Pour le définir il suffit d’indiquer, une longueur, un diamètre, une pointe et sa matière. C’est tout ? Dans les grandes lignes oui, mais attention, si vous regardez dans le détail, vous pourriez avoir quelques surprises. 😉

Diffuser les informations

Avant de commencer, il faut bien constater que rien de fabriqué n’est parfait. Chaque objet n’est pas une copie exacte et idéale du souhait du concepteur, donc il est nécessaire d’admettre une certaine « liberté » pour la fabrication des objets réels. Comment transmettre l’idée du designer au fabricant et au contrôleur d’objet, comment transcrire cette dérogation de l’idéal ? Comme vous le pensez certainement ce n’est pas si simple, même pour un objet aussi évident qu’un piquet de clôture.

Il est nécessaire d’avoir un système rigoureux de transfert d’information et c’est à quoi travaille l’ISO (International Organization for Standardization) par exemple. Pour la transmission entre les partenaires pour l’obtention d’un objet, l’ISO a émis des recommandations (normes) dites GPS (Geometrical Product Specifications, ISO/TR 14638), et nous allons voir quelques points de cet ensemble. Premièrement une vue générale de la chose. La case en rouge écriture rouge représente le sujet principal de l’article, et pour être précis, ce sera seulement une partie de cette case.

Et non, pour être parfaitement clair, GPS n’a rien à voir avec le GPS pour la localisation de votre véhicule.

GPS ( Geometrical Product Specifications, ISO/TR 14 638 )

Tolérances de forme, GPS

Pour retrouver ces normes spécifiques géométriques dans la définition des normes GPS générales ISO 14638 dans l’ensemble des normes ISO (plus de 23000), vous pouvez suivre ce schéma :

Tolérances de forme, numerotation ISO

Le principe de l‘indépendance des tolérances (ISO 8015 :2011), soit chaque tolérance doit être traitée pour elle-même est certainement, pour moi :-), la grande règle dans les normes ISO sur les tolérances. En fait, il y a 13 principes fondamentaux dont celui de l’indépendance.

En fin d’article, après la conclusion, vous trouverez quelques remarques sur les tolérances dimensionnelles, mais ce qui nous intéresse dans cet article ce sont les tolérances géométriques de forme indépendantes.

Dessin

Imaginons que nous voulions une centaine de piquets de clôture, et pour ce faire nous envoyons un dessin à un fabricant. Nous aurions aussi pu envoyer une photo, un modèle, un texte ou simplement une commande téléphonique, dans tous les cas la problématique restera la même : la liaison entre un souhait et un objet réel. Notre dessin ne suit pas les prescriptions des normes ISO, mais transmet néanmoins un souhait assez clair.

Rappel: Parce que les pièces fabriquées ne sont jamais parfaites, le but même des normes est de pouvoir relier le souhait du constructeur, la pièce réalisée et également la pièce mesurée, contrôlée.

Une simple phrase avec la spécification de l’utilité de l’objet, donne une grande information au fabricant. Je sais que beaucoup n’aiment pas donner ce genre de renseignement, probablement par peur du commentaire (« ce serait mieux comme ceci … ») mais je pense que cela permet d’éviter beaucoup d’incompréhension et de désagrément. Ensuite la matière est indiquée ainsi que la forme générale de l’objet.

La matière

Avant de commencer à regarder les tolérances de forme, je vous propose quelques points de réflexions afin de comprendre qu’il est très difficile, uniquement par le truchement d’un dessin, d’informer le fabriquant de votre désir exact, et que généralement un contact direct est encore nécessaire pour bien se comprendre.

Si vous souhaitez un piquet de clôture en bois, je crois que je n’ai pas trop de peine à vous convaincre de la difficulté à spécifier votre souhait via un dessin, un écrit. Le type de bois, la qualité, l’humidité, les nœuds, etc … C’est pour cela que nous souhaitons un poteau en béton,, essayons de simplifier notre voeux. Outre le type, la qualité, la répartition du béton, il sera peut-être nécessaire de spécifier sa solidité. On admettra que sa résistance à l’enfoncement est à priori bonne (notez la source de soucis possible), mais examinons sa résistance à la traction latérale. Cet effort peut provenir par exemple de la tension des fils de clôture. Pour être sûr d’obtenir un piquet résistant, vous devrez expliquer comment vous allez utiliser votre piquet. A quel niveau et avec quelle intensité ces efforts de traction seront appliqués. Déjà pas très simple, mais pensez maintenant aux intempéries possibles et donc à la dégradation dans le temps de votre piquet, comment spécifier vos exigences ? Cet article ne vous indiquera pas la marche à suivre, mais simplement mettre le doigt sur les non-dits, les choses implicites qui entourent la définition d’un objet. Les tolérances de forme ne sont qu’un élément pour tenter de réduire les incertitudes du souhait client.

Hiérarchie des dérogations

On admet implicitement une certaine hiérarchie dans la définition des objets réels, on parle ici uniquement de la géométrie de l’objet. ATTENTION ce n’est nullement une hiérarchie par « importance » mais plus par « commodités ». Une fois spécifié la forme et les dimensions idéales de l’objet, l’objet nominal, comme rien n’est parfait, on laisse une certaine latitude pour les objets réels. C’est cette « largeur d’esprit » qui suit une hiérarchie :

  1. Indulgence des dimensions.
  2. Indulgence de la localisation.
  3. Indulgence de l’orientation.
  4. Indulgence de forme. (tolérances de forme)
  5. Indulgence pour l’état de surface.

Dans notre article : indulgence, largeur d’esprit, liberté, jeu, compréhension = tolérance

Exemple de « liberté », les dimensions

Lorsque vous souhaitez avoir un piquet de deux mètres, probablement accepterez-vous un piquet légèrement plus grand ou légèrement plus petit. Le problème étant de quantifier ce « légèrement ». Pour résoudre ce souci, on a introduit une notation permettant de spécifier ce « légèrement », généralement on appelle cela une tolérance dimensionnelle (ISO 8015).

Ceci signifie que la longueur (en millimètre) de notre piquet doit se trouver entre deux bornes :

  • Mini : 2000+borne inférieure = 2000+0 = 2000
  • Maxi : 2000+borne supérieure= 2000+10 =2010
Tolérances de forme, cotation tolérance

Réception de nos piquets de clôture

Voilà les piquets que vous recevez (bien sûr, j’exagère volontairement les soucis), et si vous dites que cela ne correspond pas à votre souhait, il sera facile au fournisseur de vous dire que pour des piquets de clôture c’est suffisant et d’autant que les piquets sont tous dans votre tolérance de longueur, donc ce qu’il vous livre est conforme à la demande.

Pour éviter ce type de problème, les normes ISO proposent, par des annotations spécifiques d’indiquer la forme que doit respecter votre piquet pour être conforme à votre souhait. Ces annotations sont, pour partie, les tolérances de forme et c’est le sujet principal de l’article. Notez qu’il est parfaitement admissible d’indiquer vos souhaits par vos propres annotations, mais un conseil, contrôlez que votre interlocuteur les comprenne.

Tolérances géométriques

Nous allons nous pencher sur une toute petite partie des techniques d’annotations : les GPS et encore, ce sera une part de celles-ci. Il est vrai que ces notations ne sont pas simples et souvent une interprétation, une notation erronée, peuvent amener pas mal de discussions.

Dans ce domaine, il existe diverses catégories

  • Spécifications de forme (tolérances de forme)
  • Spécifications d’orientation
  • Spécifications de position
  • Spécifications de battement
  • Spécifications de surface/ligne quelconques

Pour ne pas rendre cet article trop complexe et illisible, nous nous attacherons uniquement aux spécifications de forme d’élément isolé, comme partiellement spécifié dans le titre de l’article, ce qui est déjà pas mal. Les symboles de ce type de tolérance sont : un trait, un cercle, un rectangle couché et un cercle avec deux tangentes. Voici ces symboles avec leur dénomination officielle, selon les normes ISO

Tolérances de forme

On peut remarquer que ces tolérances de forme sont liées intrinsèquement deux à deux, la rectitude (2D, dimension dans le plan) et la planéité (3D, étude sur le volume) pour le premier groupe et la circularité (2D) et la cylindricité (3D) pour le deuxième groupe. Attention pour encore simplifier notre approche, nous allons nous pencher uniquement sur les tolérances 2D, aussi parce que c’est plus facile à dessiner 🙂 , soit la rectitude et la circularité.

Deux remarques préalables

Etat de surface

Lorsque l’on parle de dimensions géométriques on néglige les états de surfaces. Ceci est compréhensible pour la plupart des objets car le rapport dimensionnel « état de surface par taille de l’objet » est assez grand, vous avez quelques renseignements détaillés sur le sujet dans la dernière partie de l’article, « Qu’est ce que le frottement ?« . Mais attention, cela ne veut rien dire quant à la fonctionnalité de la pièce et son état de surface peut être primordial (aspect et/ou fonctionnement).

Modérateurs

Pour coller au mieux à la réalité des objets produits, aux fonctions de la pièce, et pour atténuer le grand principe de l’indépendance des tolérances, les normes ISO ont introduit des modérateurs (E, L, M, P, …) qui proposent des concepts de paroi minimum, d’aptitude à l’assemblage, de maximum de matière, etc. Ces notions ne seront pas abordées dans cet article.

Rectitude

La définition du dictionnaire « ce qui est droit » (sens propre ou figuré) ne suffit pas pour l’application des normes ISO 12780 1 et 2. Pour ces normes ISO, c’est la variation maximale possible d’une ligne comprise entre deux lignes parallèles espacées de la tolérance admise.

Attention la rectitude est une des tolérances de forme indépendantes dans le sens « non rattachée à une référence », donc on ne s’intéresse qu’à la ligne tolérancée, on peut représenter cela comme suit.

Tolérances de forme, rectitude

Plusieurs remarques

  • Les tolérances de forme s’appliquent, dans ce cas, pour toute la longueur de la ligne.
  • La zone entre les deux lignes parallèles de la tolérance représente un cadre en quelque sorte
  • La ligne peut avoir n’importe quelle forme à l’intérieur de l’enveloppe de la tolérance
  • rappel : on ne tient pas compte de l’état de surface
  • A la place de deux droites parallèle, un cylindre peut faire office de zone tolérée. Exemple d’application pour l’arête d’une lame coupante.

Deux cases pour spécifier les tolérances géométriques de forme. La première case indique le type de tolérance par son symbole (notre exemple, la rectitude) et la deuxième case la valeur de la tolérance. La flèche liant les deux cases et l’arête permet de pointer à quelle partie de l’objet la tolérance de forme s’applique. Bien entendu, dans la réalité, vous devez indiquer qu’un principe : A (arête dans un cylindre) ou B la projection de l’arête dans le plan qui doit rester comprise entre les deux lignes parallèles.

Notation comparative

Comme vous l’avez compris la tolérance mentionnée s’applique à la longueur de la forme. J’ai souvent préféré me référer à une longueur type, ceci pour une meilleure comparaison et surtout une visualisation immédiate de la demande. Un exemple pour comprendre, c’est plus simple :-), une rectitude sur une arête.

Il est difficile de comparer la sévérité de rectitude entre les deux lames. Comment savoir laquelle à une tolérance la plus restrictive ?

En réalité, si on se réfère à une longueur type de 100, on constate que la demande de rectitude est semblable et correspond à maintenir l’arête tolérancée entre deux lignes séparées de 0.08.

Cette notation (tolérance rapportée à une longueur type) permet de facilement comparer la cohérence des exigences entre objets (assemblage) et/ou défini bien les possibilités des sous-traitants. Cette façon de faire peut s’appliquer à beaucoup de tolérances géométriques.

Planéité

Par une analogie avec la rectitude, la planéité d’une surface réelle, donc autre que parfaite, devra être comprise entre 2 plans parfaits et parallèles. Cette façon de représenter les surfaces et par extension les objets est souvent appelée représentation en « Skin Model » (modèle de peau).

Pour visualiser et faire le lien avec la rectitude, on peut faire une coupe de la surface selon un plan quelconque.

Circularité

Dans les tolérances de forme, la circularité, c’est un peu le même principe que la rectitude pour une ligne droite, sauf que dans ce cas c’est un cercle. Le cercle réel (ligne rouge) doit se maintenir entre deux cercles concentriques parfaits distants de la valeur de la tolérance. Voici une représentation de cette tolérance.

Tolérances de , circularité

Cylindricité

Ici aussi on peut faire un parallèle avec une surface plane, la surface cylindrique réelle doit être contenue entre deux cylindres coaxiaux parfaits dont la différence des rayons corresponds à la tolérance préconisée.

Conclusion

Voilà j’espère que vous comprenez la difficulté à définir géométriquement un objet et que souvent on se repose sur le savoir faire et les connaissances générales des fournisseurs, des sous-traitants pour obtenir un objet conforme à notre souhait. Pour avoir fait fabriqué des objets loin de notre continent, on mesure bien le côté implicite des demandes. Alors, si le résultat n’est pas à la hauteur, on constate que personne n’est vraiment responsable, une incompréhension de fait étant présente, qu’un simple dessin ne suffit pas à entièrement gommer. Malheureusement dans la réalité, les souhaits appuyés par des dessins et leurs annotations normalisés, malgré leurs principes et leurs rigueurs, furent (sont) pour beaucoup d’industriels de difficultés pour une bonne compréhension entre les partenaires.

On peut également noter qu’entre la fonctionnalité de l’objet et ses tolérances, il peut y avoir un hiatus, qui peut-être gommé en partie par les notations avec modérateurs comme E, S, etc.


Tolérances dimensionnelles

Cette partie est juste quelques remarques sur certains points, laissés souvent en arrière plan, particulièrement avec l’utilisation massive de logiciel de CAO. Il y aurait beaucoup à dire sur leurs utilisations et la connaissance de leurs méthodes de calcul, qui ne sont malheureusement peu connues des utilisateurs. Ce que je veux dire, c’est attention aux dires « le logiciel a suggéré », « le logiciel a calculé », etc. Bien comprendre et connaître les limites, et pas seulement la manipulation, de son outil de transcription de son souhait est important. Désolé pour cette remarque un peu gnangnan 🙁

Les chaînes de cotes

La suite de plusieurs cotes, l’empilement d’objets peut poser des problèmes, quant à savoir, par exemple, l’espace réel résultant dans la configuration suivante :

Tolérances chaîne de cotes

Pour ce faire, on utilise des techniques statistiques pour estimer cet espace. Mais attention, car très souvent, et ce d’autant plus que l’on utilise un logiciel de CAO, la méthode d’estimation est mal connue voire ignorée. Hors suivant la méthode employée, le résultat risque de ne pas donner entière satisfaction. Voici un exposé du problème.

Dessin et CAO

Que vous dessiniez votre piquet de clôture sur un logiciel 3D ou la main, il se posera les mêmes questions, sauf qu’en plus avec la CAO vous aurez à transmettre les informations, les formes de votre objet et que cela implique l’utilisation du logiciel identique (souvent également au niveau de la version) pour toutes les parties prenantes. Bien sûr, les fournisseurs de CAO proposent tous, une interopérabilité entre les divers systèmes, mais …. Ceux qui ont testé, comprennent le sens de ma remarque, pour les autres posez-vous simplement la question de comment est transmis les informations de matière.

Centrage des tolérances

Autre point un peu gênant des CAO, c’est le centrage des tolérances dimensionnelles, je m’explique avec un exemple, la longueur de notre poteau de clôture, intrinsèquement les dimensions maximales et minimales sont les mêmes, seule manière d’écrire les tolérances :

Tolérances centrage

Une tolérance dimensionnelle décentrée peut indiquer une fonctionnalité au fabricant et le « pousser » vers le bas ou le haut de la tolérance avec pour conséquence une interopérabilité plus moins efficace. Ce point est plus philosophique que technique, mais je pense (et cela n’engage que moi) l’intention, le souhait exprimé par les tolérances est important. Ces formes de tolérances ont toutes leurs significations et présentent de gros avantage, par rapport au centrage systématique.

Fabrications et tolérances

La liaison entre la tolérance et la méthode de fabrication est évidente, pensez simplement à fabriquer une cheville (axe cylindrique) en bois à la main ou avec une machine outil, un tour par exemple. Les résultats de fabrication ne seront pas les mêmes, donc les exigences (les tolérances) seront aussi différentes. Donc les tolérances et les états de surface suggèrent (imposent) souvent les méthodes de fabrication.

Cotation dimensionnelle ou GPS en 3D, c’est possible bien que cela peut vite devenir difficile à lire.

Tolérances de forme, cotation 3D
Exemple du manuel Solidwork