Rugosité de surface dans la fabrication

Introduction

La rugosité de surface est un facteur de fabrication important qui décrit les variations microscopiques d'une surface. Ces imperfections, généralement mesurées en micromètres (µm) ou en micro-pouces (µin), peuvent résulter de l'usinage, du moulage, de la fabrication additive, de l'usure ou de réactions chimiques. Une variation mineure peut avoir un impact considérable sur les performances, l'apparence et la durée de vie d'un composant individuel. C'est pourquoi le contrôle et la mesure de la rugosité de surface sont essentiels dans toute une série d'industries telles que l'automobile et l'aérospatiale, les appareils médicaux et l'électronique.

Qu'est-ce que la rugosité de surface ?

La rugositéde surface est une texture de surface à échelle fine, telle que des pics, des vallées et des ondulations. La rugosité de surface ne doit pas être confondue avec l'ondulation de la surface, l'état des irrégularités de grande longueur d'onde, ou les erreurs de forme, les écarts par rapport à la géométrie prévue.

Les causes de la rugosité de surface sont essentiellement dues au processus de fabrication :

- l'usinage : Des microsillons sont créés par l'utilisation d'outils de coupe ; la rugosité dépend de l'affûtage de l'outil et de la vitesse d'avance. Un Ra de 0,2 µm peut être atteint avec un outillage de bonne qualité dans une pièce aérospatiale en aluminium fraisée par CNC, par exemple, avec des coupes plus grossières de plus de 1,6 µm Ra.

- Moulage : La texture de la surface dépend de la vitesse de solidification et du matériau du moule ; les pièces en aluminium moulées sous pression ont généralement un Ra de 1 à 3 µm.

- Fabrication additive : Les structures en escalier sont créées par impression en couches ; la fusion sélective au laser (SLM) sans post-traitement de l'acier inoxydable permet d'obtenir des valeurs Ra allant jusqu'à 10 µm.

Il existe des méthodes avec et sans contact pour mesurer la rugosité de surface, dont les informations sont essentielles au contrôle de la qualité et à la validation des performances.

Pourquoi la rugosité de surface est-elle importante ?

La rugosité de surface a un impact direct sur

- Les performances fonctionnelles : La surface irrégulière génère des frottements et de l'usure. Par exemple, dans les segments de piston des voitures, une valeur Ra supérieure à 0,8 µm peut augmenter le frottement, ce qui réduit l'efficacité du moteur de 2 à 3 %. À l'inverse, une bonne finition de surface (Ra ~0,2-0,4 µm) améliore la rétention de la lubrification et la durée de vie du composant.

- Qualité esthétique : Les produits électroniques grand public haut de gamme nécessitent des surfaces finies avec un Ra inférieur à 0,1 µm pour un aspect lisse de qualité supérieure.

- Solidité : Les rugosités de surface peuvent servir de concentrateurs de contraintes et provoquer l'apparition de fissures de fatigue. Dans les aubes de turbines destinées aux applications aérospatiales, on a constaté que le maintien de la rugosité de surface à Ra ≤ 0,5 µm améliore la durée de vie en fatigue de plus de 15 % dans des conditions de charge cyclique.

Méthodes de mesure de la rugosité de surface

Méthodes par contact

1. Profilomètres : Un stylet à pointe de diamant balaie la surface et enregistre les écarts. Les profilomètres très précis peuvent mesurer des valeurs Ra aussi basses que 0,01 µm et sont adaptés aux semi-conducteurs de précision et aux pièces métalliques.

2. Jauges tactiles : Les jauges de contact fournissent des lectures rapides pour les tests de contrôle de qualité de routine, par exemple pour vérifier qu'une pièce en plastique moulée répond à la spécification Ra < 1 µm.

Méthodes sans contact

1. Profilométrie optique: L'interférométrie ou la microscopie confocale permettent de mesurer les surfaces sans contact, ce qui est optimal pour les matériaux souples ou délicats tels que les revêtements en couches minces ou les implants médicaux.

2. Balayage laser : Les lasers rapides balayent la topographie de grandes surfaces, ce qui est optimal pour les panneaux aérospatiaux où l'uniformité de Ra est importante sur les surfaces incurvées.

Influences sur la mesure de la rugosité de surface

La précision de la mesure dépend de plusieurs facteurs :

- Matériau de la surface : Les métaux ductiles se déforment au toucher et faussent les résultats ; l'aluminium, le titane et l'acier inoxydable requièrent des forces de stylet distinctes.

- Environnement de mesure : Les variations de température, les vibrations et les niveaux d'éclairage peuvent fausser les résultats. Dans les laboratoires de précision, les mesures sont effectuées à 20 ± 1 °C pour exclure les effets de la dilatation thermique.

- Étalonnage des instruments : Les profilomètres et les scanners optiques doivent être étalonnés par rapport à des normes de rugosité accréditées, le plus souvent pour chaque session de mesure, afin de garantir la répétabilité.

Applications de la mesure de la rugosité de surface

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

Quelle est l'unité de mesure standard de la rugosité de surface ?

Micromètres (µm) ou micro-pouces (µin).

Pourquoi la rugosité de surface est-elle essentielle dans la fabrication ?

Elle a un impact sur les performances, la durabilité et l'apparence, et permet de s'assurer que les composants sont conformes aux spécifications de conception et de fonctionnement.

La rugosité de surface peut-elle être améliorée après la production ?

Oui, par meulage, polissage, rodage ou application d'un revêtement de finition, selon les besoins.

Quelle est la différence entre Ra et Rz ?

Ra est une mesure de la rugosité moyenne, tandis que Rz est la hauteur moyenne du pic à la vallée sur une longueur d'échantillonnage et constitue une donnée complémentaire.

Quand les instruments doivent-ils être étalonnés ?

L'étalonnage est effectué avant l'utilisation ou selon les besoins, à l'aide d'étalons de rugosité certifiés pour garantir la précision.