CONSTRUIRE UN MODELE DE DEFINITION

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1 Contenus disciplinaire SOMMAIRE A REVOIR LORSQUE LE CONTENU SERA COMPLETEMENT VALIDE GREC 3D 1

2 Contenus disciplinaire 1) POURQUOI LA DEFINITION DE PRODUIT? L'étude cinématique des liaisons a mis en évidence : - des ensembles cinématiquement équivalents essentiellement constitués de plusieurs pièces qui sont alors en liaison encastrement ; - des liaisons, permettant des mouvements, entre ces ensembles cinématiquement équivalents. Toutes ces liaisons, avec ou sans mobilité, sont matérialisées par les surfaces en contact entre les différentes pièces. Une pièce mécanique est ainsi constituée par un ensemble de surfaces fonctionnelles*. On devra cependant distinguer : - le modèle théorique (aussi appelé modèle nominal) de cette pièce constitué de surfaces théoriques géométriquement parfaites ou idéales, obtenues avec un modeleur volumique, et caractérisées par : leur nature (plan, cylindre,...) leur dimension (diamètre d'un alésage, largeur d'une rainure, ) leur positionnement respectif (perpendicularité d'un trou par rapport à une surface,...) - la pièce réelle, fabriquée, dont les surfaces présenteront des défauts. Parmi ces défauts, on distinguera : des défauts dimensionnels : écarts de valeur de «la» dimension. des défauts «macro géométriques» (pratiquement observables à l'œil nu) : défauts de forme (défaut de planéité, ), ondulations (facettisation d'un cylindre... ). des défauts «micro géométriques» (de l'ordre du micron : µm) : rugosité d'une surface. des défauts de position ou d'orientation. Il est donc nécessaire de pouvoir relier : - La pièce imaginée par le concepteur (modèle nominal) ; - La pièce fabriquée (pièce réelle) ; - La pièce «mesurée» (image partielle de la pièce réelle). Pour que cette relation puisse se faire, des normes ont été développées (normes GPS) traitant de la définition des produits. La définition des produits encore appelée Spécification Géométrique des Produits (GPS), réalisée par le bureau d étude, consiste à définir au travers d un modèle théorique (dessin) de définition, la forme, les dimensions et les caractéristiques de surface des pièces qui en assurent un fonctionnement optimal, ainsi que l écart autour de cet optimal pour laquelle la fonction est toujours satisfaite. Cet écart acceptable (ou tolérance) devra être tenu par la fabrication, et le contrôle terminal de la pièce (effectué par le métrologue) devra garantir que tous ses défauts restent dans les limites tolérées. 2) DOSSIER DE DEFINITION ET MODELE DE DEFINITION 2.1) Dossier de définition Le dossier de définition de produit rassemble dans un dossier numérique et «papier» la définition précise des pièces fabriquées appartenant à un produit, ainsi que toutes les données techniques et économiques imposées, les contraintes de fabrication, de contrôle, de production. Il comprend, entre autre, la (ou les) maquette(s) numérique(s) de : - conception détaillée et spécifiée appelée maquette ou modèle numérique de définition. Fig. 1 : Modèle de définition GREC 3D 2

3 Contenus disciplinaire 2.2) Modèle de définition (voir référentiel BTS CPI) On désigne sous le nom de modèle de définition de produit fini une maquette numérique dont chaque pièce intègre : - La représentation fonctionnelle du modèle géométrique nominal ; - Le dimensionnement ; - Le tolérancement ; - Le positionnement relatif des surfaces ; - Les états de surfaces ; - Le matériau. Et les assemblages (ou sous-assemblages) intègrent : - un rapport d interférence. Remarques : C est à partir de ce modèle numérique que se fera l édition de plans 2D respectant les normes de définition graphique et de cotation ISO en vigueur, appelé : dessin de définition de produit. Ce que je dois retenir sur ce modèle : Dans ce modèle, chaque pièce doit être définie intrinsèquement. Les formes sont construites de manière ordonnée, en fonction de l importance fonctionnelle des surfaces associées, et les cotes fonctionnelles* pilotent la géométrie. Bien construite, la pièce ne sera pas affectée par les variations des paramètres qui la caractérisent et sera dite «robuste». Rappel sur la notion de cotes fonctionnelles : On appelle cotes fonctionnelles, des cotes : - relatives à des éléments ne constituant pas un assemblage : ces cotes découlent de paramètres tels que la résistance mécanique, l'encombrement, l'économie de matière ou l'esthétique..., - relatives aux éléments constituant un assemblage : dans ce cas, la condition d'aptitude à l'emploi résulte de valeurs limites de distance, telles que jeu, serrage, garde, débattement, positionnement, dépassement, déplacement... 3) LA DEFINITION DE PRODUIT DANS LE CONTEXTE DE CHAINE NUMERIQUE La définition de produit est une des étapes essentielles du cycle de vie numérique du produit (cf. fig. 2). Cette étape finalise ( fige ) l état d une version de la maquette numérique au niveau du bureau d étude, et permet sa diffusion en dehors des limites de ce dernier, notamment pour la fabrication. Conception Formes, dimensions Recherche Construction Dossiers de commercialisation Gestion du projet et des évolutions Maquette virtuelle conception Maquette Maquette virtuelle de virtuelle définition fabrication Choix matériau-procédé Formes, dimensions Dossiers de fabrication et de contrôle Industrialisation Définition des produits Pré-industrialisation Fig.2 : La définition de produit dans le contexte de la chaîne numérique GREC 3D 3

4 Contenus disciplinaire La construction de ce modèle passe par de nombreuses étapes de conception. On peut résumer cette démarche de construction en donnant le principe général (cf. fig. 3 ci-dessous). Elle part d un projet défini par son cahier des charges fonctionnel, d une esquisse ou d un modèle de conception pour évoluer progressivement vers ce que nous appellerons le modèle de définition complète du produit et de l ensemble des pièces qui le constituent. La réalisation de ce modèle de définition, s appuie sur utilise les outils de spécifications dimensionnelles et géométriques régis par les normes. Les formes, éventuellement validées par une simulation, prennent en compte le matériau et le procédé choisi. Ce modèle de définition sera utilisé par les fabricants et les métrologues pour mener à bien leurs tâches. CdCF + modèle numérique partiel Maquette numérique de conception Conditions fonctionnelles d un assemblage ou d un guidage Maquette numérique de définition Outils de spécifications dimensionnelles Outils de spécifications géométriques Traduire les conditions fonctionnelles 4) QUELQUES NOTIONS SUPPLEMENTAIRES A TITRE D INFORMATION 4.1) MODELE DE CONCEPTION Fig. 3 : Le principe général Le modèle de conception permet de définir l architecture générale du produit et d intégrer les conditions fonctionnelles aux solutions technologiques choisie : - Conditions liés au fonctionnement des liaisons ; définitions et positions des surfaces fonctionnelles, jeu nécessaire au guidage, serrage nécessaire à une liaison encastrement. Remarques : Les surfaces fonctionnelles des pièces peuvent être positionnées par rapport à des surfaces d autres pièces, ou part rapport à des jeux fonctionnels. On appelle cela des «références externes» car la pièce est définie par rapport à d autres. On dit aussi que les conditions fonctionnelles «pilotent la géométrie» car leurs valeurs conditionnent certaines dimensions des pièces. - Conditions liées à des contraintes d industrialisation (relation produits / procédés / matériaux). - Conditions liées à l environnement du produit (issues du CDCF). - Conditions liées à la résistance mécanique des éléments : épaisseurs minimales à prévoir, etc Fig. 4 : Modèle de conception Le modèle de conception sert de support aux diverses simulations mécaniques permettant de valider les principes constructifs, les lois de comportement et le dimensionnement des composants en regard des sollicitations statiques et/ou dynamiques. GREC 3D 4

5 Contenus disciplinaire Ce que je dois retenir sur ce modèle : Les conditions fonctionnelles pilotent la géométrie de cette maquette numérique. Bien construite, cette dernière ne sera pas affectée par les variations des paramètres qui la caractérisent et sera dite «robuste». Remarques : Les pièces liées à cette maquette contiennent généralement des références externes*, et par conséquent ne peuvent pas, à ce stade, être fabriquées. La construction de ce modèle est laissée au libre arbitre du concepteur. 4.2) DU MODELE DE CONCEPTION AU MODELE DE DEFINITION Pour passer du modèle de conception au modèle de définition, il existe différents processus plus ou moins complexes selon la façon dont le concepteur à conçu son modèle de conception. L objectif de ces processus, est de faire évoluer le modèle de conception, dont la construction est laissée au libre arbitre du concepteur dans les limites fixées par le bureau d étude, vers le modèle de définition qui doit être construit en respectant les normes de définition graphique et de cotation ISO en vigueur. Pour y parvenir, on doit : - Rompre les éventuelles références externes contenues dans le modèle de conception ; - Traduire les conditions fonctionnelles en cotes fonctionnelles. (L un des outils pour y arriver est la cotation fonctionnelle par le tracé de chaînes de cotes - voir par exemple le Guide du Dessinateur Industriel chapitre 20 pages 77 à 87). - Traduire les contraintes dimensionnelles et géométriques en spécifications dimensionnelles et géométriques. - Définir les états de surfaces. (voir fiches rappels à la fin du dossier) 5) LES OUTILS DE LA DEFINITION DE PRODUIT La réalisation d un modèle de définition répondant aux normes ISO fait appelle à de nombreux outils (voir fig. 5), dont certains sont rappelés de manière succincte dans les pages qui suivent. Pour approfondir ces points, on trouvera plus de précision dans les livrets 1 et 2 sur l exploitation du concept GPS par exemple (téléchargeable au format pdf à partir du site du CNR CMAO) SPECIFICATION GEOMETRIQUE DES PRODUITS (GPS) PRINCIPE DE TOLERANCEMENT Norme ISO 8015 Définitions et termes généraux associés aux normes ISO (voir ) Principe d indépendance (voir 2.1) TOLERANCEMENT DIMENSIONNELLE (voir 2.2) Exigence de l enveloppe (voir 2.4) TOLERANCEMENT GEOMETRIQUE (voir 2.3) ETATS DE SURFACES (voir ) Système ISO de tolérance et d ajustement Tolérances générales Cotes encadrées Tolérances de FORME Tolérances de POSITION Tolérances d ORIENTATION Fig. 7 : Les outils associés à la définition de produits GREC 3D 5

6 1 DEFINITIONS ET TERMES GENERAUX ASSOCIES AUX NORMES ISO (CF. GPS) Le projet ISO/DIS donne la définition des éléments géométriques des pièces. Les principaux termes utilisés sont les suivants : - élément d une pièce : c est un point, une ligne ou une surface ; - élément nominal : c est l élément théoriquement exact défini par le dessin technique ; - élément dérivé nominal : c est le centre, l axe, le plan médian d un élément nominal ; - élément réel : c est l élément réel de la pièce ; - élément extrait : c est la représentation de la pièce, constituée d un nombre fini de points obtenus par la mesure de la pièce réelle ; - élément dérivé extrait : c est le centre, l axe, le plan médian de l élément extrait. - élément associé : c est l élément de forme géométrique parfaite associé à l élément extrait ; cette fois encore, cette forme est définie à partir de conventions précisées par la norme. Modèle nominal Pièce Représentation de la pièce (dessin, CAO) extraite (mesure) associé Elément dérivé nominal (ligne rectiligne axe du cylindre) Elément dérivé extrait Elément dérivé associé Elément nominal (surface cylindrique) Elément réel (surface nominalement cylindrique) Elément extrait Elément associé Fig. 8 : représentation des relations entre les éléments géométriques 2 PRINCIPE DE TOLERANCEMENT (Norme ISO 8015 cf. GDI chapitre 19 page 72 à 76) La norme ISO 8015 (E ) définit le principe de la relation entre les tolérances dimensionnelles (linéaires et angulaires) et les tolérances géométriques. 2.1) Principe d indépendance Chaque exigence dimensionnelle ou géométrique spécifiée sur un dessin doit être respectée en ellemême, indépendamment des autres exigences. (sauf indication particulière spécifiée) Ainsi une tolérance géométrique s applique sans tenir compte de la dimension de l élément, et les deux exigences sont traitées indépendamment. Si une relation particulière entre la dimension et la forme, ou la dimension et l orientation, ou la dimension et la position est exigée, elle doit être spécifiée sur le dessin. Cette interdépendance entre la dimension et la géométrie peut être indiquée par : - l exigence de l enveloppe (voir plus loin), - le principe du maximum de matière. GREC 3D 6

7 2.2) Tolérance dimensionnelle Une tolérance linéaire limite uniquement les dimensions locales réelles (distance entre deux points d i = A i B i ), mais pas ses écarts de forme. Une pièce sera donc conforme si la valeur prise par chacune des dimensions locales d i se trouve à l'intérieur de l'intervalle de tolérance. Remarque : Toutes les cotes liées à un modèle de définition doivent obligatoirement être tolérancées. Tolérances générales : Afin d éviter l écriture d un nombre trop important de spécifications dans un modèle de définition, on utilise des tolérances générales. (Par exemple dans le cadre de pièces usinées la norme utilisée est la norme ISO Cf. GdI, chapitre 16.4) Seules les tolérances plus petites seront indiquées sur le modèle. La pièce sera conforme si chacune des valeurs prises par les dimensions locales d i =A i B i se trouve comprise entre 49,6 mm et 50,4 mm. Fig. 9 : Tolérancement dimensionnelle Les tolérances plus élevées ne seront indiquées que si le coût de fabrication est diminué de façon significative. Cote encadrée (cf. GdI chapitre 13.4) : Les cotes pour lesquelles il n'existe pas de "bipoint" ("non mesurables avec un pied à coulisse" exemple fig. 10) doivent être encadrée. Une cote encadrée est l indication graphique d une «dimension théorique exacte». Une cote théorique exacte définit la position, l orientation ou le profil théorique exact d'un élément Remarque : Cet élément est tolérancé par l intermédiaire d autres spécifications géométriques. 2.3) Tolérancement géométrique Fig. 10 : cote encadrée Les tolérances géométriques limitent les écarts admissibles de l élément réel (non idéal) par rapport à sa FORME, son ORIENTATION et sa POSITION en définissant une zone de tolérance à l intérieur de laquelle l élément doit être compris. Une tolérance géométrique comporte : - des éléments tolérancés éléments réels de type ponctuel, linéique ou surfacique ; - une zone de tolérance ; - une référence spécifiée élément parfait de type point, droite ou plan. 2.4) Exigence de l enveloppe (cf. GdI chapitre 19.12) Pièce réelle Pièce nominale D après le principe de l indépendance, une spécification dimensionnelle ne limite pas le défaut de forme de l élément spécifié. Sur la figure ci-dessous, on voit que la pièce peut être considérée comme bonne du point de vue dimension si toutes les valeurs prises par les dimension locales (bipoints) se trouvent dans l intervalle de tolérance, mais que le défaut de forme peut être très grand. Si l une des fonctions de cet arbre est de pouvoir se loger dans un alésage, le concepteur du produit pourra donc en plus indiquer sur le dessin de définition qu il désire limiter le défaut de forme de cet arbre, par une exigence d enveloppe. L exigence d enveloppe peut être indiquée par le symbole à la suite de la tolérance linéaire, et signifie que l enveloppe parfaite au maximum de matière ne doit pas être dépassée. di A i B i A i d i B i GREC 3D 7

8 Ø20 0,2 Ø20,2 Ø19,8 Ø19,9 Ø20,2 CONSTRUIRE UN MODELE DE DEFINITION Enveloppe de forme parfaite à la dimension au maximum de matière Ici, pour que la pièce soit conforme, il faudra respecter la spécification dimensionnelle et l exigence d enveloppe. Fig. 11 : Exigence de l enveloppe Dans le cas de notre exemple, cela voudra dire que pour que la pièce soit conforme, il faudra : - Que les valeurs prises par les dimensions locales se trouvent dans l intervalle de tolérance. - Que l arbre spécifié ne devra jamais dépasser un cylindre parfait de diamètre 20,2 (état de notre alésage considéré au maximum de matière). 3 TOLERANCES GEOMETRIQUES (Rappel sommaire) 3.1) Tolérances de forme Les spécifications de forme sont intrinsèques à l'élément tolérancé (la planéité d'une surface par exemple est indépendante des autres surfaces de la pièce). Elles ne peuvent donc pas faire appel à un ou plusieurs éléments de référence. Types Désignation Élément tolérancé Rectitude Circularité Forme d'une ligne quelconque Planéité Cylindricité Forme d une surface quelconque 3.2) Tolérances d orientation élément linéique nominalement rectiligne élément linéique nominalement circulaire Caractéristiques de la zone de tolérance de situation intrinsèques (écart tolérancé) aucune Ø d un cylindre, distance entre 2 droites ou 2 plans aucune distance entre 2 cercles concentriques élément linéique aucune distance entre 2 lignes élément surfacique nominalement plan élément surfacique nominalement cylindrique aucune aucune distance entre 2 plans parallèles distance entre 2 cylindres coaxiaux élément surfacique aucune distance entre 2 surfaces Une tolérance d orientation d un élément est donnée obligatoirement par rapport à un autre élément pris comme référence. SYMBOLE SIGNIFICATION Parallélisme Perpendicularité Inclinaison Profil d une surface Profil d une ligne Remarque : Pour l inclinaison, il est nécessaire d indiquer, en plus, l angle par rapport à l élément de référence. 3.3) Tolérances de position La localisation théorique de l élément est définie, par rapport au système de référence, au moyen de cotes encadrées. (Remarque : une cote encadrée est l indication graphique d une «dimension théorique exacte». Une dimension théorique exacte définit la position, l orientation ou le profil théorique exact d un élément.) La zone de tolérance est répartie également de part et d autre de cette position théorique exacte. SYMBOLE SIGNIFICATION Localisation Coaxialité* Concentricité** * Coaxialité : pour les axes ; **Concentricité : pour les centres Symétrie Profil d une surface Profil d une ligne GREC 3D 8

9 3.4) Cadre de tolérance Les exigences sont indiquées dans un cadre rectangulaire divisé en deux cases ou plus (5 maxi). Ces cases contiennent, de gauche à droite, dans l ordre suivant (voir fig. 12, 13, 14 et 15) : - Le symbole de la caractéristique géométrique ; - La valeur de la tolérance ; cette tolérance est précédée du signe Ø si la zone de tolérance est circulaire ou cylindrique, ou de SØ si la zone de tolérance est sphérique ; - Le cas échéant, la ou les lettres permettant d identifier la référence ou le système de référence. 0,1 0,1 A Ø 0,1 A B C SØ 0,1 A B C Fig. 12 : Exigence géométrique sans référence Fig. 13 : Exigence avec référence spécifiée Fig. 14 : Zone de tolérance cylindrique avec système de référence Fig. 15 : Zone de tolérance sphérique avec système de référence Lorsque la tolérance s applique à plus d un élément (six éléments par exemples), ceci doit être indiqué au dessus du cadre. (fig. 16) S il est nécessaire de spécifier plus d une caractéristique géométrique pour un élément, les exigences peuvent être données dans des cadres de tolérance placés l un au dessous de l autre. 6 Ø 0,1 Fig. 16 : tolérance sur plusieurs éléments 0,01 0,06 B Fig. 17 : Exigences géométriques multiples 3.5) Eléments tolérancés - Sauf cas particuliers, le cadre de tolérance est relié à l élément tolérancé par une ligne de repère, raccordée à l un ou l autre des côtés du cadre et terminée par une flèche qui aboutit :Sur le contour de l élément ou sur le prolongement du contour (mais clairement séparé de la ligne de cote), si la tolérance s applique à la ligne ou à la surface elle même (figures 18 et 19) Fig. 18 : Sur l élément ou sur son prolongement Fig. 19 : Sur le contour - Dans le prolongement de la ligne de cote, lorsque la tolérance s applique à l axe, au plan médian ou au centre de l élément ainsi coté (figures 20 et 21) Fig. 20 : Tolérancement d un axe Fig. 21 : Tolérancement d un plan médian 3.6) Références spécifiées simples La référence spécifiée à laquelle se rapporte un élément tolérancé est identifiée par une lettre majuscule inscrite dans un cadre relié à un triangle de référence noirci ou non. Le triangle de référence avec la lettre de référence est placée : - Sur le contour de l élément ou un prolongement du contour, si l élément de référence est la ligne ou la surface elle-même. (fig. 22) - Dans le prolongement de la ligne de cote lorsque l élément de référence est l axe, le plan médian ou le centre de l élément ainsi coté. (Fig. 23 et 24) GREC 3D 9

10 A B A A Fig. 22 : référence spécifiée sur le contour ou sur son prolongement Fig. 23 : Triangle de référence pour axe ou plan médian sur forme extérieure Fig. 24 : Triangle de référence pour axe ou plan médian sur forme intérieure Remarque : pour spécifier une référence commune ou un système de références voir GPS. 3.7) La lecture des spécifications Pour analyser de manière méthodique les spécifications géométriques qui sont portées sur le modèle de définition d une pièce, on pourra s aider du tableau dénommé «Grille de traitement», dont on donne une illustration cidessous. Cette grille est issue du livret sur l exploitation du concept GPS. Fig. 25 : Grille de traitement, tolérance de cylindricité GREC 3D 10

11 4 ETATS DE SURFACES (cf. GdI chapitre 17) 4.1) Principaux défauts des surfaces Si l on coupe normalement une surface par un plan on obtient une courbe appelée «profil de surface».c est à partir de ce profil que l on analyse les différents défauts de la surface. On classe les défauts géométriques en quatre ordres de grandeur. (GDI 17) a) Défauts du premier ordre Fig. 24 : obtention du profil de surface Ces défauts macro géométriques correspondent aux défauts géométriques des surfaces cités plus haut. b) Défauts du deuxième ordre Ces défauts, également macro géométriques, sont caractérisés par des ondulations inscrites dans le profil et engendrées par les vibrations, les déformations des machines, broutements, traitements thermiques Fig. 25 : ondulations c) Défauts du troisième et du quatrième ordre Ces défauts micro géométriques caractérisent la rugosité de la surface. Ils sont constitués par des stries ou sillons. La distances entre deux sillons est comprise entre 0,02 et 0,5 mm. Fig. 26 : stries et sillons Le symbole utilisé sur les dessins de définition donne les indications traduisant l analyse fonctionnelle de la pièce. Il est constitué d un graphisme de base et d indication alphanumérique L'état de surface spécifié peut être obtenu par un procédé quelconque. L'état de surface spécifié peut être obtenu par usinage (enlèvement de matière). L'état de surface spécifié peut être obtenu par usinage (sans enlèvement de matière). a = b = c = d = e = f = Valeur de la rugosité Ra en µm Valeur de la rugosité Ra (µm) N de la classe de rugosité ou n de la classe de rugosité 50 N12 Procédé de fabrication, traitement 25 N11 ou revêtement 12,5 N10 Longueur de base 6,3 N9 3,2 N8 Direction des stries d'usinage 1,6 N7 0,8 N6 Surépaisseur d'usinage 0,4 N5 0,2 N4 Autres valeurs de rugosité (entre 0,1 N3 parenthèses) 0,05 N2 0,025 N1 GREC 3D 11

12 6) BIBLIOGRAPHIE o Référentiel de BTS-CPI, décembre REPERES POUR LA FORMATION du BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR «CONCEPTION DE PRODUITS INDUSTRIELS», Document de travail, novembre o Exploitation du concept G.P.S. et de la normalisation pour la Spécification Géométrique des Produits, publié par le CERPET et le Ministère de l Education Nationale de la Recherche et de la Technologie. o Précis CONSTRUCTION MECANIQUE tome 1 projets-études, composants, normalisation. Auteurs : R. QUATREMER, J.P. TROTIGNON, M. DEJANS, H. LEHU. Editions Nathan/Afnor. o Le Guide du dessinateur industriel (GdI), de CHEVALIER paru aux éditions Hachette Technique. o Divers articles parus dans la revue «TECHNOLOGIE». GREC 3D 12