La concentricité (GD&T) expliquée | Fracture

ASME Y14.5-2009 décrit 14 types différents de tolérances géométriques. Chacune de ces tolérances spécifie un type de contrôle sur diverses fonctions de la pièce. Pour faciliter la compréhension, ces 14 types peuvent être séparés en cinq groupes principaux. Il s’agit de la forme, du profil, de l’orientation, de l’emplacement et du faux-rond.

Les contrôles de localisation maintiennent un contrôle étroit sur la position d’une entité par rapport à une référence. La concentricité, la symétrie et la position réelle sont les commandes sous la catégorie d’emplacement. Dans cet article, nous aborderons la concentricité, ses différents aspects, ses usages et ses méthodes de mesure. Commençons par définir la concentricité.

Qu’est-ce que la concentricité ?

De nombreuses pièces mécaniques nécessitent une conception concentrique très précise pour un fonctionnement satisfaisant. Les pièces telles que les tubes qui subissent des pressions élevées nécessitent une conception avec une épaisseur de paroi uniforme pour éviter tout point structurel faible. La concentricité est une légende 3D GD&T qui garantit qu’une ou plusieurs fonctions de pièce sont concentriques autour d’un axe de référence.

Cependant, dans GD&T, la concentricité a une signification légèrement différente de la définition littérale que la plupart des ingénieurs connaissent. La fonction de la légende de concentricité est de garantir que le milieu de deux points diamétralement opposés se trouve dans une zone de tolérance spécifiée. L’élément circulaire peut présenter des encoches, des creux ou d’autres variations de surface, mais la répartition des masses autour de l’axe central doit être uniforme.

Cette répartition équilibrée des masses est importante dans les applications où la pièce subit une rotation à grande vitesse et il existe un risque d’oscillation ou d’usure irrégulière. Mais la concentricité est une caractéristique difficile à atteindre et à mesurer lors de la fabrication.

Dans la plupart des applications, des légendes plus simples telles que le faux-rond circulaire, faux-rond total, poste ou profil peut faire le travail aussi bien. Dans la mesure du possible, ils doivent être utilisés pour éviter la concentricité.

Zone de tolérance de concentricité

zone de tolérance de concentricité

La zone de concentricité GD&T est une zone de tolérance cylindrique. Le cadre de contrôle d’entité spécifie un axe de référence qui est utilisé comme point de référence pour développer cette zone. Le diamètre de cette zone cylindrique est la valeur de tolérance admissible pour la légende.

Afin d’assurer la concentricité, l’axe médian réel de la pièce doit être dérivé en calculant les milieux de points diamétralement opposés. Lorsque tous ces points médians sont connectés, nous obtenons l’axe médian. Tous les points sur l’axe médian doivent se situer dans la zone de tolérance cylindrique pour l’approbation de la pièce.

Concentricité vs autres légendes

La concentricité est une référence nécessaire dans de nombreuses applications spécialisées où une distribution de masse uniforme est de la plus haute importance. Mais en raison du processus difficile et coûteux impliqué dans son application, il est important de connaître d’autres légendes qui peuvent remplacer la concentricité sans compromettre les spécifications requises.

Le faux-rond circulaire et la position réelle (également parfois appelée « position ») sont les deux légendes les plus étroitement liées qui peuvent remplacer la concentricité dans de nombreuses applications.

Concentricité vs faux-rond circulaire

La difficulté de mesurer la concentricité provient de la nécessité de trouver l’axe médian dérivé de la pièce. Il n’existe aucune méthode permettant d’effectuer un tel calcul de manière fiable sans l’utilisation d’un ordinateur.

D’autre part, le faux-rond d’une pièce peut être mesuré facilement à partir de la surface puisqu’il s’agit d’une caractéristique tangible. De plus, des instruments simples tels qu’un bloc en V et un comparateur à cadran peuvent donner des mesures de faux-rond fiables.

Le faux-rond est communément défini comme la somme de la circularité et de la concentricité. Si une pièce est parfaitement ronde, la tolérance de faux-rond devient égale à la tolérance de concentricité.

Des jauges spécialement conçues peuvent également mesurer le faux-rond de manière rapide (<10 secondes), efficace et relativement peu coûteuse. Ainsi, sous tous les angles, le faux-rond est une meilleure alternative à la concentricité et doit être utilisé dans la mesure du possible.

Concentricité vs Position vraie

La vraie position dans GD&T est une légende assez simple qui peut fixer la position et la taille de différentes entités. Dans de nombreux cas, une véritable légende de position peut remplacer efficacement la concentricité. Les tailles de trou standard et les tolérances de position sont meilleures que la concentricité lorsqu’il n’y a pas besoin d’une distribution de masse précise.

Cadre de contrôle de la caractéristique de concentricité

Nous utilisons des cadres de contrôle de fonction (appelés ici « FCF ») pour expliquer les conditions de fabrication, les contrôles et les tolérances placés sur une fonction de pièce. Une même pièce peut avoir plusieurs caractéristiques tolérées par GD&T. La tolérance de chaque caractéristique est représentée par son propre FCF. Le FCF se connecte à l’entité sous contrôle ou à sa ligne d’extension à l’aide d’une flèche de repère.

cadre de contrôle de la fonction de concentricité

Le cadre de contrôle des caractéristiques pour la concentricité GD&T est assez simple. Il suit le schéma général d’un FCF qui se compose de trois blocs distincts. Les blocs de concentricité peuvent être compris comme « par rapport à la référence A, tous les points médians des éléments opposés sur cette surface cylindrique doivent se situer dans une zone de tolérance cylindrique de 0,03 ».

Chaque bloc donne des informations sur un aspect différent de la tolérance GD&T. Ces trois blocs sont :

  • Bloc caractéristique géométrique
  • Bloc de tolérance de fonction
  • Bloc de référence

Bloc caractéristique géométrique

symbole de concentricité

C’est le premier bloc de la concentricité FCF. Il contient le symbole de la tolérance géométrique appliquée à l’entité. Le symbole de concentricité constitué de deux cercles concentriques est placé dans ce bloc pour spécifier cette tolérance.

Bloc de tolérance de fonction

Il s’agit du deuxième bloc du FCF qui fournit des informations sur le type et la taille de la zone de tolérance appliquée.

Dans le cas de la concentricité, la forme de la zone est cylindrique. Cette zone est également connue sous le nom de zone de tolérance diamétrale et est spécifiée à l’aide d’un symbole de diamètre dans ce bloc. Le diamètre de cette zone cylindrique est la valeur de tolérance ou l’écart maximal admissible pour les points médians dérivés de la pièce.

Les modificateurs de matériau ne peuvent pas être utilisés avec la concentricité car la tolérance de bonus entrerait en jeu. Cette tolérance supplémentaire agrandit la zone de tolérance qui conduit à une fonction échelonnée de diamètres variables, provoquant des changements brusques du diamètre de la surface.

Bloc de référence

Ce bloc contient des informations sur l’élément de référence. Il peut s’agir d’un point central, d’une ligne médiane ou d’un plan de référence selon les besoins. Dans le cas de la concentricité, l’élément de référence est un axe de référence dérivé d’un élément de référence. Parfois, la concentricité FCF peut contenir plusieurs références. C’est le cas des arbres à diamètres multiples.

Comment mesurer la concentration

La procédure de mesure de la concentricité est la principale raison pour laquelle la plupart des concepteurs et des machinistes choisissent de l’éviter. Prendre les mesures nécessaires est difficile, long et coûteux.

L’inspecteur doit construire l’axe central réel de la pièce en joignant les points centraux de sections transversales circulaires successives. C’est pourquoi une mesure de concentricité fiable nécessite l’utilisation d’une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) ou d’une autre méthode de mesure assistée par ordinateur telle qu’un système de mesure d’arbre optique ou un micromètre laser avec une extension de concentricité.

Dans de nombreux cas, les ingénieurs enregistrent la différence entre le point le plus haut et le plus bas de la surface à l’aide d’un comparateur à cadran. Ils ont l’impression qu’ils mesurent la concentricité alors qu’ils mesurent en réalité le faux-rond. Comme nous l’avons vu précédemment, pour que le faux-rond soit égal à la concentricité, la section observée doit être un cercle parfait, ce qui est rarement le cas. Le passage des mesures de faux-rond comme concentricité permet aux erreurs de circularité de se glisser dans la tolérance de concentricité.

Examinons maintenant brièvement le processus étape par étape pour mesurer la concentricité.

Mesure de la concentricité à l’aide d’une MMT



Mesure de la concentricité avec la MMT

Mesure de la concentricité avec la MMT

La tolérance de concentricité peut être mesurée à l’aide d’une MMT en quatre étapes distinctes :

Etape 1 : Sécurisation de la pièce et fixation de l’axe de référence (axe théorique)

La première étape consiste à verrouiller tous les degrés de liberté en contraignant la pièce dans une position appropriée. La position doit permettre l’accès à toute la surface cylindrique pour la mesure. Cela garantit qu’il n’y a pas besoin de repositionner pendant tout le processus de prise de mesures.

Ensuite, nous devons établir l’axe de référence. Nous recommandons de choisir l’extrémité du roulement de l’arbre pour l’axe de référence car la rotation de l’ensemble sera dirigée à partir de cette extrémité.

Étape 2 : Trouver le point central d’une section transversale

La deuxième étape consiste à tracer la surface de contrôle à l’aide d’un stylet CMM. Nous avons besoin de plusieurs paires de points diamétralement opposés à chaque section transversale de la pièce cylindrique. Un minimum de trois paires de ce type est recommandé pour chaque section transversale. Pour ces trois paires, nous pourrions recevoir trois points médians distincts (sauf si certains coïncident). La moyenne de ces trois points médians est sélectionnée pour déterminer le point central de la section transversale.

Étape 3 : Répéter pour plusieurs sections transversales sur la longueur de la pièce cylindrique

Le point central de plusieurs sections transversales doit être calculé. En joignant ces points, on obtient l’axe mesuré ou l’axe central réel de la pièce. Cet axe est également appelé axe dérivé.

Étape 4 : Vérifiez si l’axe mesuré se situe dans la zone de tolérance

Après avoir obtenu l’axe mesuré de la partie cylindrique (ou sphérique), on vérifie sa position par rapport à l’axe de référence. Chaque point sur cet axe doit se trouver dans la zone de tolérance cylindrique spécifiée dans le FCF.

Utilisations de la concentricité

La plupart des ingénieurs professionnels comprennent que la tolérance de concentricité ne doit pas être utilisée sauf en cas d’absolue nécessité. Mais il existe encore de nombreuses applications qui le nécessitent. Certains d’entre eux sont :

Roulements à billes de précision

Ce sont des pièces de haute précision utilisées dans une variété d’industries pour réduire les pertes d’énergie. Leur fabrication doit respecter des tolérances serrées pour un fonctionnement satisfaisant. La tolérance de concentricité est utilisée entre divers éléments d’un roulement à billes pour s’assurer qu’il répond aux spécifications.

Engrenages de transmission

La fabrication des engrenages de transmission nécessite une concentricité pour aligner parfaitement les axes. Cela empêche les mouvements latéraux et minimise le taux d’usure. Cependant, dans certains cas, le faux-rond peut fournir une précision suffisante.

Tubes de qualité médicale

La concentricité est également utilisée pour contrôler l’épaisseur de la paroi des tubes dans les dispositifs médicaux. Ces pièces peuvent être minuscules et nécessitent une grande précision pour un produit acceptable.

Tuyauterie haute pression

Très souvent, la tuyauterie à haute pression peut être fabriquée en utilisant une tolérance de concentricité. Ces pièces nécessitent une épaisseur de paroi minimale pour éviter tout point mince le long de la longueur où le tube pourrait se rompre en raison des pressions élevées.

FAQ

La concentricité a-t-elle été supprimée de l’ASME Y14.5-2018 ?

Oui, la norme ASME 2018 n’inclut pas la tolérance de concentricité. Cependant, ce n’est pas très choquant car toutes les versions précédentes recommandaient également d’utiliser la position et le faux-rond dans la mesure du possible. Par ailleurs, la majorité des entreprises utilisent encore la norme 1994 tandis que les autres utilisent la version 2009. Ainsi, les contrôles de concentricité peuvent toujours être utilisés, à moins que les versions précédentes ne soient restreintes.

Qu’est-ce que l’excentricité ?

L’excentricité est la mesure du décalage par rapport au centre géométrique du profil du tube. C’est une quantité vectorielle avec une amplitude ainsi qu’une direction. Assez souvent, la valeur de l’excentricité s’avère être la moitié de celle de la concentricité.

L’amplitude de l’excentricité est calculée comme suit :

Excentricité = (épaisseur de paroi maximale – épaisseur de paroi minimale)/2

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