Géométrical Product Specification

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1 Géométrical Product Specification Source : Tolérancement géométrique : interprétation Fabien Schneider. Exploitation du concept GPS et de la normalisation pour la SGP Cerpet Cetim Informations : le dossier GPS juillet Spécification géométrique des pièces mécaniques fev 2001 Pierre Bourdet. 1. Présenter le concept GPS Présenter l'objectif du GPS. Le tolérancement normalisé doit constituer un langage permettant de transmettre les informations entre la conception, la fabrication et le contrôle. Spécifications géométriques Les normes françaises, avant 1990, dans le domaine du tolérancement étaient établies par différentes commissions travaillant de façon assez indépendantes : Dessins techniques; Etats de surfaces; Métrologie dimensionnelle. Maintenant elles sont regroupées en deux commissions : GPS Spécification; GPS Mesure. qui mettent le produit au centre des préoccupations. L'apport d'une telle structure permettra de définir et de proposer un langage de spécification des produits caractérisé par : L'expression sans ambiguïté des exigences fonctionnelles des mécanismes; Un langage international univoque; Une complémentarité de l'ensemble des normes, évitant les oublis, les redondances ou les interprétations multiples. GPS TS Productique Page 1/19

2 Exemple de ce que le GPS doit permettre d'éviter : Pour permettre cette unification des normes, les normalisateurs ont défini des tableaux à doubles entrées appelés matrices GPS qui permettent de dresser un bilan des normes actuelles, de repérer les redondances, les manques et les redondances. Les 6 maillons permettent de passer progressivement de l'aspect symbolique d'une tolérance aux exigences d'étalonnage de l'instrument de mesure. Maillon 1 : Identification dans la documentation - Codification Façon d indiquer sur le dessin la caractéristique de la pièce. Définition des symboles et de la façon de les utiliser (calligraphie, syntaxe et grammaire). Maillon 2 : Définition des tolérances - Définition théorique et valeurs Définition des valeurs numériques associées aux symboles, d'un point de vue textuel et d'un point de vue mathématique par rapport à l'élément nominal. GPS TS Productique Page 2/19

3 Maillon 3 : Définitions des caractéristiques ou paramètres de l'élément extrait Définition de l'élément extrait concerné par le symbole, d'un point de vue textuel et d'un point de vue mathématique. Maillon 4 : Évaluation des écarts de la pièce - Comparaison avec les limites de la tolérance Définition des exigences détaillées nécessaires à l'évaluation des écarts de la pièce par rapport à l'indication du dessin. Maillon 5 : Exigences pour l'équipement de mesure Prise en compte de la notion d'erreur. Maillon 6 : Exigences d'étalonnage - Étalons d'étalonnage Décrire le concept GPS à trois étapes de vie d'un produit. Ici nous reprendrons l'image présentée au 1.1. pour indiquer trois étapes de vie d'un produit: La conception; La fabrication; La réalisation Décrire le concept GPS à l'étape conception. Il est possible de décomposer cette étape en trois sous étapes : La création d'un modèle nominal : GPS TS Productique Page 3/19

4 Elaboration du Modèle de la Surface Non Idéale (skin modèle) : ce modèle permettra d'extraire des surfaces non idéales qui supporteront les conditions dimensionnelles et géométriques. Ecrire de manière univoque les spécifications dimensionnelles et géométriques à l'aide du langage ISO Décrire le concept GPS à l'étape fabrication. Le technicien de fabrication devra être capable d'interpréter toutes les spécifications indiquées sur un dessin de définition (cahier des charges à respecter) afin d'élaborer des APEF qui seront validés par des simulations d'usinage. Un travail coopératif entre le concepteur et le fabricant permet d'optimiser les spécifications fonctionnelles en vue de réduire les coûts de fabrication Décrire le concept GPS à l'étape contrôle. Le technicien qui s'occupera du contrôle devra être capable d'interpréter les spécifications dimensionnelles et géométriques en vue de produire des procédures de contrôle qui tiendront compte des moyens de contrôle. Cette phase se fera avec une démarche identique adoptée par le concepteur, seul le skin modèle sera remplacé la pièce réelle. On vient de comprendre que pour permettre le passage du skin modèle à la pièce réelle, il est nécessaire de maîtriser différents termes définissant : les éléments géométriques appartenant au modèle géométrique, au skin modèle et à la représentation de la pièce; un principe; des exigences; les tolérances dimensionnelles; les tolérances géométriques. 2. Définir les différents termes permettant le passage du skin modèle à la pièce réelle. GPS TS Productique Page 4/19

5 2.1. Définir les éléments géométriques appartenant au modèle géométrique, au skin modèle et à la représentation de la pièce. Les éléments géométriques sont fondamentaux dans le modèle de spécification GPS. Ils sont définis par un ensemble de points de l'espace affine liés par une ou plusieurs relations mathématiques. Ils sont "idéaux" ou "non idéaux" et sont crées par un certain nombre d'opérations Définir les éléments géométriques idéaux et non idéaux. Eléments géométriques idéaux Élément nominal (intégral ou dérivé) : élément théoriquement exact habituellement défini par un dessin technique ou d autres moyens. Élément intégral associé : élément intégral de forme parfaite associé à l élément intégral extrait suivant des conventions spécifiées. Élément dérivé associé: centre, ligne médiane ou surface médiane provenant d un ou plusieurs éléments intégraux. Eléments géométriques non idéaux Élément (intégral) réel : élément intégral constitutif de la surface réelle de la pièce, limité par les éléments réels adjacents. Élément intégral extrait : représentation approchée de l élément réel, obtenue par l extraction d un nombre fini de points de l élément réel. Cette extraction est réalisée en appliquant des conventions spécifiées. Élément dérivé extrait : centre, ligne médiane ou surface médiane dérivée à partir d un ou de plusieurs éléments intégraux extraits. Entité dimensionnelle : forme géométrique définie par une dimension linéaire du type taille. Par exemple : cylindre, sphère, 2 surfaces parallèles opposées, cône, coin. Élément intégral : Surface ou ligne d une surface (dont on n'a rien retiré, entière, complète). GPS TS Productique Page 5/19

6 Définir les opérations permettant de créer les éléments géométriques idéaux et non idéaux. Partition Opération utilisée pour identifier un(des) élément(s) borné(s) à partir d élément(s) non idéal(aux) (appartenant au modèle de peau) ou d élément(s) idéal(aux). Extraction Opération utilisée pour identifier des points spécifiques à partir d un élément non idéal. On obtient un nombre fini de points. Filtrage Opération utilisée pour créer un élément non idéal en réduisant le niveau d information d un élément non idéal. Association Opération utilisée pour ajuster un(des) élément(s) idéal(aux) à un(des) élément(s) non idéal(aux) selon un critère. Le critère donne un objectif sur une caractéristique. Il peut aussi fixer des contraintes. Collection Opération utilisée pour identifier plusieurs éléments ensemble idéaux ou non idéaux, conformément à la fonction de la pièce. Une caractéristique de situation entre deux éléments devient une caractéristique intrinsèque à l élément collecté. Cette opération est surtout utile pour exprimer les défauts macrogéométriques (rectitude, circularité ) Construction Opération utilisée pour construire un(des) élément(s) idéal(aux) à partir d autres éléments idéaux selon des contraintes. Évaluation Opération utilisée pour identifier soit la valeur d une caractéristique, soit sa valeur nominale et sa(ses) limite(s). GPS TS Productique Page 6/19

7 Définir des caractéristiques des éléments géométriques idéaux et non idéaux Définir les caractéristiques intrinsèques des éléments idéaux. Définition : C'est une caractéristique qui est attachée à la définition de l'élément idéal. Exemple: Elément géométrique Point Cylindre de révolution Plan Cercle Cône Caractéristique intrinsèque Aucun Diamètre Aucun Diamètre Angle au sommet Définir les caractéristiques de situation des éléments idéaux. Définition : C'est une caractéristique qui permet de positionner dans l'espace un élément idéal par rapport à un autre élément idéal ou non. Il existe deux formes de caractéristiques de situation : Une caractéristique angulaire; Une caractéristique dimensionnelle Exemple: Caractéristique angulaire entre : Deux droites Deux plans Une droite et un plan Caractéristique dimensionnelle entre : Deux points Une droite et un point Un plan et un point Deux droites Une droite et un plan parallèles Deux plans parallèles 2.2. Définir les termes définissant un principe : le principe de l'indépendance. Le Principe de base est décrit dans la norme de base NF E , ISO Chaque exigence dimensionnelle ou géométrique spécifiée sur un dessin doit être respectée en elle-même (indépendamment), sauf si une relation particulière est spécifiée. Les quatre spécifications s appliquent indépendamment les unes des autres. Certaines tolérances ne sont pas utiles, mais elles ne contreviennent pas au principe de l indépendance. GPS TS Productique Page 7/19

8 2.3. Définir les termes définissant des exigences. Ici seules trois exigences seront abordées bien qu'il en existe d'autres : Exigence de l'enveloppe ISO 8015 : Exigence du maximum de matière : L'enveloppe parfaite au maximum de matière ne doit pas être dépassée Iso 8015 la surface de l élément cylindrique ne doit pas dépasser l enveloppe de forme parfaite à la dimension au maximum de matière de Ø30,1. Aucune dimension locale réelle ne doit être inférieure à Ø29,9 L'exigence du maximum de matière spécifie la notion d'état virtuel pour l'(des) élément(s) tolérancé(s) et d'état de forme parfaite au maximum de matière pour l'(les) élément(s) de référence, les deux états ne devant pas être dépassés par les surfaces de la pièce. Etat virtuel pour l'élément tolérancé : Un cylindre de diamètre 12,04 obtenu par l'effet cumulatif du diamètre à l'état au maximum de matière : 12 mm augmenté de la tolérance de coaxialité de 0,04 mm. Le cylindre spécifié est à son maximum de matière à 12 mm, il peut dans cet état accepté au maxi un défaut de coaxialité de 0,04 mm par rapport au cylindre de référence A quand celui ci est à son maximum c'est à dire Ø25 mm Etat au maximum de matière de l'élément de référence : Un cylindre de diamètre 25 de même axe que le cylindre définissant l'état virtuel de l'élément tolérancé. GPS TS Productique Page 8/19

9 Exigence de la tolérance projetée : Élément tolérancé : Axe de la surface hélicoïdale associée au trou fileté Élément de référence : Deux surfaces réputées plane et cylindrique Système de Références spécifiées : Plan A tangent extérieur matière et minimisant l écart maxi Droite B axe du plus petit cylindre circonscrit perpendiculaire au plan A Zone de tolérance : 6 cylindres de diamètre 0,2mm de longueur 9,2 mm d axes régulièrement répartis sur un cylindre de Ø60mm et d axe B 2.4. Définir les termes définissant les tolérances dimensionnelles. Elles ont deux formes possibles : Tolérances linéaires : Une tolérance linéaire limite uniquement des dimensions locales réelles. Elle ne s'applique qu'à des cylindres ou à des éléments constitués de plans parallèles ayant de la matière en vis à vis. Indiquer pour les exemples ci-dessous si la cotation est autorisée ou non Ø30±0,1 5±0,1 GPS TS Productique Page 9/19

10 30±0,1 5±0,1 Chaque dimension locale réelle di doit être comprise dans l'intervalle 30±0,1. La forme de la surface n'est pas spécifiée. Par exemple une pièce rectifiée sur une machine "centerless" (Stub) peut avoir toutes ses dimensions locales réelles égales à 30,1, et avoir un cylindre enveloppe de diamètre supérieur à 30,1 On retrouvera ici la cotation linéaire associée à l'exigence de l'enveloppe. Nota : a) si en bas d'un dessin de définition la notation ISO 8015 apparaît toute la cotation linéaire devra être interpréter avec l'exigence d'enveloppe. b) la cotation pour les ajustements est toujours valable et respecte l'exigence d'enveloppe. GPS TS Productique Page 10/19

11 Les tolérances angulaires : Une tolérance angulaire spécifiée en unités de mesure angulaire limite uniquement l orientation générale des lignes ou des éléments linéaires de surfaces mais pas leurs écarts de forme Définir les termes définissant les tolérances géométriques. Une tolérance géométrique désigne et définit d'une manière générale : des éléments géométriques réels (non idéaux):! les éléments tolérancés;! et les éléments de références. des éléments géométriques idéaux associés aux éléments de référence :! les références spécifiées simples,! les références spécifiées communes,! les systèmes de références spécifiées. une zone de tolérance dont la géométrie idéale peut être contrainte à l'aide de paramètres géométriques(d'orientation et de position) par rapport à une référence spécifiée ou un système de références spécifiées. La valeur intrinsèque de la zone de tolérance est l'écart tolérancé. une condition :! l'élément tolérancé doit être inclus dans une zone de tolérance GPS TS Productique Page 11/19

12 Définir les éléments géométriques réels.! les éléments tolérancés. Les éléments tolérancés peuvent être des points réels, des lignes réelles, des surfaces réelles. Exemple Skin modèle ou pièce réelle Extraction! les éléments de références. Les éléments de référence sont des surfaces ou groupe de surfaces réelles ou des lignes extraites de la pièce réelle. Exemple Skin modèle ou pièce réelle Extraction A GPS TS Productique Page 12/19

13 Exemple Skin modèle ou pièce réelle Extraction GPS TS Productique Page 13/19

14 Définir les éléments géométriques idéaux associés aux éléments de référence. Les références spécifiées simples. Une référence spécifiée simple est un élément idéal de type point, droite ou plan. Elle est obtenue par une opération d'association à un élément de référence. L'opération d'association sera réalisée à l'aide d'un critère : La surface associée est une surface géométrique parfaite qui est tangente à la surface réelle du coté libre de matière. La surface associée peut-être définie en utilisant par exemple la méthode des moindres carrés qui minimise la somme des écarts au carré. Exemple Skin modèle ou pièce réelle Partition Association Dérivation GPS TS Productique Page 14/19

15 Les références spécifiées communes. Une référence spécifiée commune est un élément idéal de type point, droite ou plan. Elle est obtenue par une opération d'association à plusieurs éléments de référence. L'opération association est identique à celle décrite précédemment. Exemple Skin modèle ou pièce réelle Partition Association Dérivation GPS TS Productique Page 15/19

16 Les systèmes de références spécifiées. Nota : les systèmes non ordonnés ne seront pas abordés. Un système de référence spécifié est une suite ordonnée d'éléments idéaux de type point, droite ou plan. Il est obtenu par une opération d'association à plusieurs éléments de référence. L'opération association est identique à celle décrite précédemment. Lors de la construction d'un système de référence, la référence tertiaire sera contrainte en orientation à la référence secondaire, qui sera contrainte à la référence primaire. Exemple Skin modèle ou pièce réelle Partition Association Dérivation GPS TS Productique Page 16/19

17 Définir les zones de tolérance. Une zone de tolérance définit une portion de l espace d une pièce réelle délimitant le lieu de validité d un élément réel, extrait ou dérivé (élément auquel s adresse la tolérance). Le ou les éléments réels, extraits ou dérivés doivent être inclus dans la zone de tolérance qui peut être simple ( une seule zone pour une spécification) ou composée (plusieurs zone pour une spécification). Exercice : pour chaque spécification vous indiquerez si la zone de spécification est simple ou composée GPS TS Productique Page 17/19

18 Si la zone de tolérance est définie par rapport à une ou plusieurs références spécifiées, elle sera contrainte géométriquement soit en position, soit en orientation. Tolérance de forme Symbole Signification Contrainte Zone de tolérance Attention tous les cas ne sont pas envisagés. Pour définir les zones de tolérances avec exactitude il faudra se reporter à la norme. Forme d'une surface quelconque Forme d'une ligne quelconque Sans ou Orientation ou Position Sans ou Orientation ou Position Enveloppe générée par des sphères de Øt dont les centres se déplacent le long de la surface nominale. Ligne générée par des sphères de Øt dont les centres se déplacent le long de la ligne nominale. Planéité Sans Deux plans parallèles distants de t. Rectitude Sans Deux droites parallèles distantes de t. Cylindricité Sans Deux cylindres coaxiaux dont les rayons diffèrent de t. Circularité Sans Deux cercles concentriques dont les rayons différent de t. Tolérance d'orientation Inclinaison orientation Deux plans parallèles distants de t et inclinés d'une valeur angulaire par rapport à surface de référence spécifiée. Parallélisme orientation Deux plans distants de t et parallèles par rapport à surface de référence spécifiée. Perpendicularité orientation Deux plans distants de t et perpendiculaire par rapport à surface de référence spécifiée. Tolérance de position Localisation Orientation ou position Deux cas seulement seront définis :! Deux plans parallèles distants de t et disposés symétriquement par rapport à une position théorique.! Un ou des cylindres de Øt dont le ou les axes sont dans une position théorique. Coaxialité Orientation ou position Un cylindre de Øt dont l'axe coïncide avec l'élément dérivé de la Concentricité Position surface de référence spécifiée. Symétrie Position Deux cas seulement seront définis : Deux plans parallèles distants de t et disposés symétriquement par rapport au plan médian dérivé de référence spécifiée. GPS TS Productique Page 18/19

19 Tolérance de battement (conjugué de forme, d'orientation et de position) Battement circulaire Orientation ou position Deux cas : -Battement circulaire radial : deux cercles concentriques, dans chaque plan de mesurage, distant de t dont le centre coïncide avec l'élément dérivé de la surface de référence. -Battement circulaire axial : deux circonférences, pour chaque diamètre de mesurage, distant de t dont l axe coïncide avec l'élément Battement total Orientation ou position dérivé de la surface de référence. Trois cas : -Battement total radial : deux cylindres coaxiaux distant de t dont l axe coïncide avec l'élément dérivé de la surface de référence. -Battement total axial : deux plans distant de t et perpendiculaire à l'élément dérivé de la surface de référence. -Battement total dans une direction donnée : deux surfaces de révolution distantes de t dont l axe coïncide avec l'élément dérivé de la surface de référence et dont le profil est celui du profil théorique spécifié. 3. Donner une méthode permettant de contrôler une spécification géométrique. Nota : sans exigence du maximum de matière. Donner la définition de la zone de tolérance d'après la norme NF E ou ISO Définir les éléments géométriques réels :! définir l'élément réel tolérancé.! définir le ou les éléments de référence. Définir les éléments géométriques idéaux associés aux éléments de référence. Définir la zone de tolérance. Définir une méthode de mesure.! Définition des exigences détaillées nécessaires à l'évaluation des écarts de la pièce par rapport à l'indication du dessin. Ecrire le test de conformité. Choisir le matériel de contrôle. Etablir un schéma de contrôle. GPS TS Productique Page 19/19