Tolérance géométrique : quoi, pourquoi et comment l’utiliser ?

La toute première étape de la création d'une pièce est le dessin, qui définit ses dimensions. Cette géométrie sert ensuite à la fabrication de la pièce après la sélection de la matière première, des procédés d'usinage et l'usinage lui-même. Afin d'éviter tout écart indésirable par rapport aux dimensions de base, on utilise des tolérances géométriques. Cet article explique tous les paramètres des tolérances géométriques.

Définition de la tolérance géométrique

La tolérance géométrique ne concerne pas seulement les variations admissibles de longueur, de largeur, etc., mais elle couvre également chaque aspect de la pièce, comme la rectitude, la perpendicularité, etc.

Développement de la tolérance géométrique

L'utilisation des tolérances est très ancienne. Autrefois, on utilisait des tolérances traditionnelles. Celles-ci permettaient de couvrir les variations admissibles de longueur, de largeur et d'épaisseur de la pièce, mais ne suffisaient pas à maîtriser le gaspillage de matière et les problèmes d'assemblage. Les tolérances géométriques ont été officiellement développées dans les années 1960 avec la toute première norme, à savoir l'ASME Y 14.5 - 1966.

Quand utiliser la tolérance géométrique

De manière générale, les tolérances géométriques sont utilisées tout au long du cycle de vie du produit. Par exemple, lors de la conception, elles servent à garantir un assemblage fonctionnel ; lors de l’usinage, elles permettent de sélectionner le procédé, de planifier la séquence d’usinage, etc. ; lors de l’assemblage, elles garantissent un ajustement parfait des pièces, etc.

Quels sont les types de tolérance géométrique ?

Un composant présente de multiples caractéristiques, telles que la planéité, le profil de surface et le parallélisme, qui influent sur ses propriétés fonctionnelles et son assemblage. Afin de garantir la précision de fabrication de ces caractéristiques, différentes tolérances géométriques sont appliquées, décrites ci-dessous :

Tolérance de forme

La tolérance de forme est liée à la forme d'un élément d'une pièce. Voici ses différents types :

• Platitude
• Rectitude
• Circularité
• Cylindricité

La tolérance de forme garantit que chaque élément présente des caractéristiques géométriques correctes, indépendamment de sa position ou de son orientation. Dans ce type de tolérance géométrique, aucun axe de référence n'est requis.

Tolérance du profil

Dans ce type de tolérance géométrique, il est généralement important de définir un axe de référence. Cette tolérance géométrique contrôle :

• Profil d'une ligne
• Profil d'une surface

Ce type de tolérance géométrique permet de garantir que la forme, l'orientation et l'emplacement de la ligne ou de la surface restent précis par rapport à la géométrie idéale définie par la CAO.

Tolérance d'orientation

Des fonctionnalités comme le parallélisme, perpendicularitéL'angle et l'angularité sont spécifiés par rapport à un certain angle par rapport à l'axe de référence. Ce type de tolérance contrôle l'écart admissible d'une caractéristique par rapport à cet angle. Dans ce cas, il est obligatoire de définir au préalable un axe de référence.

Tolérance d'emplacement

Ces tolérances garantissent l'interchangeabilité, l'assemblage et l'alignement fonctionnel. Dans ce cas, la définition de l'axe de référence est obligatoire. Il existe les types suivants :

• Poste
• Concentricité

Cette tolérance géométrique garantit que la position des éléments reste dans la zone de tolérance cylindrique par rapport à l'axe de référence.

Tolérance de faux-rond

Cette tolérance s'applique aux pièces qui tournent autour d'un axe. Elle garantit l'absence de jeu lors de la rotation. Ses types incluent :

• Faux-rond circulaire
• Faux-rond total

Il est important de définir l'axe de référence, et c'est également obligatoire dans ce cas.

Pourquoi utilise-t-on la tolérance géométrique ?

Auparavant, on utilisait des tolérances traditionnelles, qui portaient sur les dimensions de base telles que la longueur, la largeur et l'épaisseur de la pièce, mais cela entraînait des coûts d'usinage et des pertes de matière plus importants. Pour pallier ces pertes, des tolérances géométriques ont été mises au point.

Pour répondre aux exigences fonctionnelles

Les exigences fonctionnelles comprennent :

• Comment la pièce s'adapte
• Répartition de la charge dans la partie
• Comment il est situé par rapport à l'axe de référence
• Prévention des fuites
• Contrôle de l'usure de la pièce

Pour satisfaire à ces exigences, on utilise des tolérances géométriques. Par exemple, les tolérances de planéité, de parallélisme et de perpendicularité contribuent à une répartition uniforme de la charge sur la pièce.

Pour garantir un assemblage fiable

Après l'usinage, l'assemblage est le deuxième paramètre le plus important influençant les performances et le cycle de vie d'un composant. Les tolérances géométriques garantissent un assemblage fiable en contrôlant efficacement l'orientation, la position et les autres caractéristiques de la pièce par rapport à l'axe de référence.

Pour optimiser les coûts de fabrication

En matière de tolérances géométriques, des tolérances strictes ne sont appliquées que là où la fonctionnalité est requise, évitant ainsi un usinage inutile. L'usinage en une seule passe remplace les opérations secondaires telles que le rodage. Ces paramètres permettent de réduire les coûts de fabrication.

Comment utiliser la tolérance géométrique

Il existe une procédure à suivre pour appliquer des tolérances géométriques à une pièce, qui commence par l'identification des exigences fonctionnelles. Chaque étape est brièvement décrite ci-dessous :

Identifier les exigences fonctionnelles

Certaines fonctions sont essentielles aux applications dans lesquelles les pièces sont utilisées. Par exemple, la résistance est une exigence fonctionnelle pour un arbre. Il doit transmettre le couple sans se déformer. La première étape consiste donc à identifier les exigences fonctionnelles.

Sélectionnez les types de tolérance géométrique appropriés

La deuxième étape consiste à choisir le type de tolérance géométrique (tolérance de position, tolérance de forme, tolérance d'orientation, etc.). Ce choix repose sur :

1. Exigences fonctionnelles
2. Rôle de la pièce dans l'assemblage et le mouvement
3. sensibilité du chemin de charge
4. Relations de données
5. fabricabilité

Définir les données de référence

La troisième étape consiste à définir les références géométriques de la pièce. Un point ou axe unique est sélectionné autour duquel toutes les caractéristiques de la pièce sont orientées dans une zone de tolérance cylindrique.

Appliquer les tolérances aux dessins

Pour appliquer des tolérances géométriques à un dessin, on utilise des cadres de contrôle des caractéristiques (FCC), lesquels sont liés à des références fonctionnelles. On spécifie ensuite les écarts admissibles en matière d'orientation, de forme, etc., afin de garantir un assemblage, un fonctionnement et une fabrication corrects.

Vérifier la tolérance lors de l'assemblage

Pour la vérification des tolérances appliquées au moment de l'assemblage, différents outils sont utilisés, tels que des calibres de tolérance, des comparateurs à cadran, des calibres à bouchon et une machine à mesurer tridimensionnelle.

Comment calculer la tolérance géométrique

Les tolérances géométriques peuvent être liées à la forme, à l'orientation ou au faux-rond. Elles sont calculées à l'aide de différentes formules.

Calcul des tolérances de forme

Les tolérances de forme comprennent la planéité, la rectitude, la circularité et la cylindricité.

• Platitude

Mesure l'écart d'une surface par rapport à un plan parfaitement défini.

Formule : Planéité = Hauteur maximale − Hauteur minimale

• Rectitude

La rectitude d'une ligne mesure son écart par rapport à une ligne droite parfaite.

Formule : Rectitude = Écart maximal par rapport à la ligne droite idéale

• Circularité

Mesure l'écart d'une caractéristique, comme un trou, par rapport à un cercle parfait.

Formule : Circularité = R_max-R_min

• R_max est le rayon maximal
• R_min est le rayon minimum
• Cylindricité

Mesure dans quelle mesure une pièce est uniformément arrondie, droite et lisse le long de son axe.

Formule : Cylindrie = R_max-R_min

Calcul des tolérances d'orientation

• Parallélisme

Mesures selon lesquelles une surface ne doit pas s'écarter de deux plans parallèles eux-mêmes parallèles à un point de référence spécifié.

Formule : Erreur de parallélisme = Distance maximale − Distance minimale

• Perpendicularité

Mesure l'écart d'un axe d'une pièce par rapport à la zone de tolérance cylindrique définie à 90° par rapport à un axe de référence.

Formule : Erreur de perpendicularité = Écart maximal par rapport à 90°

• Angularité

Mesure l'écart d'un axe d'une pièce par rapport à la zone de tolérance cylindrique spécifiée à un angle de base par rapport à un axe de référence.

Formule : Erreur d'angularité = Écart maximal par rapport à l'angle spécifié

Calcul des tolérances de position

• Poste

Mesure l'écart d'un axe d'une pièce par rapport à la zone de tolérance 3D et à une référence de base.

Position = 2 × (x²+y²)^1/2

• X²est l'écart par rapport à l'axe des x
• Y²est l'écart par rapport à l'axe des y
• Concentricité

Mesure l'alignement de tous les points médians d'une pièce avec les points médians d'un élément de référence.

Concentricité = Écart maximal au centre

• Symétrie

Mesure la répartition des matériaux de part et d'autre de l'axe de référence.

Symétrie = Écart maximal du plan médian

Calcul des tolérances de faux-rond

• Faux-rond circulaire

Mesure la variation de l'élément de surface lorsque la pièce est tournée à 360° autour d'un axe de référence.

Faux-rond circulaire = Lecture maximale − Lecture minimale

• Faux-rond total

Mesure l'écart d'un élément de surface d'une pièce lors d'une rotation de 360° autour d'un axe de référence. La mesure est effectuée sur toute la surface.

Lecture totale = Lecture maximale − Lecture minimale

Erreurs courantes lors de l'utilisation de la tolérance géométrique

Une mauvaise interprétation des symboles géométriques, la négligence des modificateurs d'état des matériaux et des exigences fonctionnelles sont des erreurs fréquentes lors de l'utilisation des tolérances géométriques. Ces erreurs entraînent une baisse de l'efficacité de la production et des performances de la pièce.

Mauvaise interprétation des symboles de tolérance géométrique

Cela signifie que lorsque l'on confond le symbole de parallélisme avec celui de perpendicularité et que l'on usine en conséquence, une mauvaise interprétation des symboles de tolérance géométrique entraîne des performances fonctionnelles médiocres, comme une usure anormale des roulements, et provoque des défauts d'alignement lors de l'assemblage.

Modificateurs de condition matérielle négligents

La négligence des modificateurs d'état des matériaux entraîne :

• Tolérances trop serrées
• Perte de propriétés fonctionnelles
• Coût d'inspection plus élevé
• Problèmes d'assemblage
• Augmentation des rebuts et des retouches

Négliger les exigences fonctionnelles

Le non-respect des exigences fonctionnelles n'est pas à l'origine des problèmes liés à l'inspection.

• Cela affecte en fin de compte les performances de la pièce.
• La pièce tombe en panne plus tôt pendant la durée de vie.
• Perte de performance
• Augmentation des pannes sous garantie et sur le terrain

Le rôle de la tolérance géométrique dans la conception pour la fabrication (DFM) et la conception pour la fabrication assistée par ordinateur (DFMA).

Les tolérances géométriques peuvent être appliquées dans la conception pour la fabrication (DFM) et dans la conception pour la fabrication et l'assemblage (DFMA). Leur rôle diffère selon le contexte.

Tolérance géométrique en conception pour la fabrication (DFM)

La conception pour la fabrication (DFM) est liée à la fabricabilité et à la capacité des processus. Les tolérances géométriques garantissent que seules les tolérances nécessaires sont appliquées de manière cohérente aux procédés d'usinage, tels que l'usinage, la rectification, etc.

Tolérance géométrique dans la conception et la fabrication assistées par ordinateur (DFMA)

Dans le cadre de la conception pour la fabrication et l'assemblage (DFMA), les tolérances géométriques garantissent un assemblage aisé et sans erreur. Elles contrôlent ainsi la précision dimensionnelle en matière d'inspection, d'assemblage et de fonctionnalités. En revanche, dans le cadre de la conception pour la fabrication (DFM), les tolérances géométriques concernent uniquement les tolérances liées à la fabrication.

Comment utiliser la tolérance géométrique pour optimiser les pièces ?

Grâce aux tolérances géométriques, les pièces peuvent être optimisées en fonction des exigences, notamment en termes de performances améliorées, de réduction des déchets de matériaux, d'usinage facile et de coûts réduits.

Concevoir correctement les fonctionnalités critiques

Les caractéristiques critiques d'une pièce sont celles qui influent directement sur ses propriétés fonctionnelles, son assemblage et sa durée de vie. Par exemple, l'axe d'un arbre est une caractéristique critique d'un roulement. Dans ce cas, la spécification géométrique et tolérancement (GD&T) concentre les tolérances sur la géométrie fonctionnelle, ce qui permet de fabriquer la pièce avec des tolérances plus larges. La tolérance géométrique et dimensionnelle (GD&T) contribue à faciliter l'assemblage. avec une réduction des rebuts et des retouches.

Contrôler le processus de fabrication

Les tolérances géométriques permettent de maîtriser le processus de fabrication en évitant des tolérances trop serrées lors de la fabrication des pièces. Par exemple, pour un arbre dans un palier, seules des caractéristiques telles que la rectitude et l'état de surface sont critiques. Dans ce cas précis, seules les tolérances géométriques sont appliquées, et les procédés de fabrication sont choisis en conséquence.

Vérifier avec des mesures précises

Les tolérances géométriques permettent de vérifier les mesures car les dimensions sont mesurées en fonction des applications réelles. Par exemple, grâce aux tolérances géométriques, on mesure non seulement les dimensions générales d'un arbre, mais aussi son faux-rond total par rapport à un axe de référence.

Conseils pour bien lire les tolérances géométriques

Une meilleure compréhension des tolérances géométriques permet de fabriquer des pièces plus efficacement, avec moins de rebuts et de retouches, et à moindre coût. Voici quelques conseils pour bien comprendre les tolérances géométriques :

Comprendre le flux de trésorerie disponible sur les dessins

Chaque dessin technique comporte un cadre de contrôle des caractéristiques. Ce cadre contient les informations relatives aux tolérances géométriques requises et à la méthode de vérification. Il est présenté sous forme d'encadré associé à chaque caractéristique. Il est donc essentiel de bien comprendre ce cadre et la signification de chaque symbole avant toute fabrication ou inspection. Voir par exemple la figure suivante :

Identifier les symboles de tolérance géométrique

Chaque symbole de tolérance géométrique correspond à une caractéristique différente d'une pièce. Par exemple, sur la figure ci-dessus, ce symbole représente le diamètre. Il est donc important d'identifier et de comprendre chaque symbole de tolérance géométrique.

Comprendre l'état du matériel

La compréhension de l'état des matériaux implique de savoir comment la taille d'une caractéristique affecte la tolérance géométrique et ce qu'il faut utiliser dans MMC, LMC ou RFS.

Conclusion

Les tolérances géométriques sont essentielles à la fabrication de toute pièce. Elles garantissent que la pièce répond à toutes les exigences fonctionnelles et d'assemblage. Grâce à ces tolérances, on obtient une précision accrue à moindre coût d'usinage. Un autre avantage de l'usinage économique réside dans l'élimination des tolérances inutilement serrées lors de la conception et de l'usinage des pièces. Il existe cinq principaux types de tolérances géométriques : forme, orientation, faux-rond, profil et position. La maîtrise de ces tolérances permet d'accroître la productivité en réduisant les délais.

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QFP

Quelle est la différence entre la tolérance dimensionnelle et la tolérance géométrique ?

La tolérance dimensionnelle concerne la variation admissible de la taille d'une pièce. Par exemple, une variation de 0.2 mm est admissible pour un boulon de 20 mm de long. La tolérance géométrique limite la variation d'orientation, de position, de forme ou de faux-rond, etc., de la pièce.

La GD&T est-elle une compétence en CAO ?

Non, la CAO n'est qu'une plateforme de communication. C'est une compétence qui permet de concevoir et de fabriquer une pièce.

Comment lire les tolérances géométriques

• Identifiez la fonction contrôlée
• Lisez la valeur de tolérance
• Vérifiez l'axe de référence
• Comprendre la zone de tolérance
• Reliez-le à la fonction

Comment appliquer les normes GD&T aux dessins ?

Suivez les étapes de synthèse:

1. Identification des caractéristiques fonctionnelles
2. Sélection du type de tolérance approprié
3. Définition de l'axe de référence
4. Création d'un cadre de contrôle des fonctionnalités (FC)
5. Attribution d'une tolérance à la caractéristique correcte