Spécifier la planéité, la rectitude et le vrillage après usinage

Un plan qui indique « barre plane » n'a rien spécifié. Le mot est employé de façon lâche pour couvrir trois caractéristiques géométriquement distinctes, aux causes différentes, aux méthodes de mesure différentes et aux valeurs atteignables différentes. Les discussions au contrôle de réception portent le plus souvent sur celle des trois qui était visée.

La planéité est une propriété de surface : tout point doit se situer entre deux plans parallèles distants de la valeur de tolérance. Elle ne dit rien du sens de l'écart.

La rectitude est une propriété de ligne : une arête, ou l'axe de la barre. Sur une barre rectangulaire, elle se scinde en deux. La flèche est la courbure dans le sens de l'épaisseur : la barre bascule quand on la pose sur sa face. La cambrure est la courbure dans le sens de la largeur : posée à plat, la barre a l'allure d'une banane. Une barre peut présenter beaucoup de l'une et rien de l'autre.

Le vrillage est la rotation de la section autour de l'axe longitudinal : les deux extrémités ne sont pas dans le même plan. C'est le seul des trois que l'on ne voit pas en posant la barre sur une table et en regardant dans le sens de la longueur, et c'est celui que l'on découvre le plus souvent au montage.

Aucun d'eux ne signifie quoi que ce soit sans une longueur de référence. « Cambrure 2 mm » ne vous apprend rien. « Cambrure 2 mm maximum sur 1000 mm quelconques » est une spécification.

Ce que le laminoir vous a déjà donné

Avant d'incriminer votre propre procédé, regardez dans quel état la matière arrive. ASTM B187/B187M, la spécification qui couvre les barres, ronds et profilés en cuivre pour jeux de barres, fixe la rectitude dans son tableau 10 sous forme de flèche maximale de l'arc mesurée sur une portion de longueur indiquée :

• Barre en général : 1/4 in [6 mm] sur 60 in [1500 mm]
• Barre rectangulaire demi-dure, 3 à 15 mm d'épaisseur et 50 à 150 mm de largeur : 1/8 in [3 mm] sur 96 in [2400 mm]
• Rond : 1/2 in [13 mm] sur 120 in [3000 mm]
• Profilés : 1/2 in [13 mm] sur 72 in [1800 mm]

La méthode compte autant que la valeur. La norme prescrit de poser la barre sur une table de niveau de sorte que l'écart de rectitude se trouve à l'horizontale, et de mesurer la flèche maximale de l'arc à la règle et au réglet acier, au 1/32 in [0,8 mm] près. Mesurer à l'horizontale retire la gravité du résultat. Une longueur de 3 m en 100 × 10 mm de cuivre pèse 27 kg et fléchira de plusieurs millimètres sous son propre poids si on la soutient aux extrémités en mesurant à la verticale — et cette flèche-là n'est pas une propriété de la barre.

Trois millimètres de cambrure sur 2,4 m à la livraison, c'est bien plus que ce à quoi s'attendent la plupart des monteurs. Si votre tolérance sur pièce finie est plus serrée que votre tolérance de réception, le procédé doit retirer de l'écart et non le conserver — et cela se conçoit à l'avance.

Comment le poinçonnage produit flèche et cambrure

Le poinçonnage n'enlève pas la matière de façon neutre. Il laisse un champ de contraintes résiduelles autour de chaque trou, et la somme de ces champs déplace la barre.

Deux mécanismes agissent. Autour du trou lui-même, la matière est entraînée vers l'intérieur et vers le bas à l'entrée du poinçon, ce qui met en compression la zone côté entrée, et la matière est repoussée à travers la face de sortie pendant la rupture, ce qui met cette zone-là en traction. Quand le terme de traction domine, la barre prend de la flèche. Le phénomène est local : une zone fortement poinçonnée fléchira tandis qu'une zone non poinçonnée de la même barre restera plane — c'est pourquoi la flèche apparaît souvent comme un coude plutôt que comme un arc régulier.

Le second mécanisme est la course elle-même. À mesure que le poinçon descend, la barre fléchit dans l'ouverture de la matrice. La face supérieure passe en compression et la face inférieure en traction, et la composante plastique de cet état ne se récupère pas.

Quatre facteurs aggravent la chose, et les quatre sont maîtrisables. La densité de trous fixe la contrainte accumulée et vient du plan. L'épaisseur augmente l'affaissement du bord et l'effort, et c'est l'effort qui déforme la matière environnante. L'état de l'outil compte le plus en pratique : un poinçon émoussé demande sensiblement plus d'effort qu'un poinçon affûté et produit plus d'affaissement de bord, ce qui explique le plus souvent qu'une barre se mette soudain à sortir fléchie d'une machine qui n'en produisait pas. Et le jeu, lorsqu'il est trop faible, augmente l'effort et donc la flèche. Cette dernière variable est celle-là même qui gouverne la durée de vie des outils, et elle est traitée dans le jeu poinçon-matrice pour les barres en cuivre et en aluminium.

La cambrure, à la différence de la flèche, vient d'une dissymétrie dans le sens de la largeur. Un motif de trous longeant un bord d'une barre large place la zone contrainte hors de l'axe neutre, et la barre s'incurve en plan. Les motifs symétriques par rapport à l'axe médian l'évitent en grande partie, ce qui constitue l'un des arguments les plus discrets en faveur des positions de trous normalisées de DIN 43673-1.

Deux parades au-delà d'un outil affûté et d'un jeu correct. Maîtrisez la pression du dévêtisseur ou du pied presseur : elle maintient la barre plane pendant la coupe, mais sur du cuivre tendre une pression excessive fléchira elle-même la barre, et la réduire est parfois la solution. Et séquencez les trous de manière à répartir le travail plutôt que de terminer une extrémité avant d'attaquer l'autre, ce que la CNC fera pour vous si l'imbrication est réglée en ce sens.

Comment le cisaillage produit du vrillage

Une cisaille guillotine ne coupe pas toute la largeur d'un coup. La lame supérieure est inclinée de sorte que la coupe progresse d'un côté vers l'autre, ce qui maintient l'effort à un niveau gérable. Cette progression applique un couple à la pièce coupée, et la pièce tourne.

L'angle d'inclinaison de la lame est la variable dominante. Une inclinaison plus forte réduit l'effort de coupe et augmente le vrillage ; une inclinaison plus faible fait l'inverse. Là où l'inclinaison est réglable, le réglage correct est le plus petit angle qui permette encore de couper, et employer le même angle pour de la barre de 6 mm et de 16 mm garantit un vrillage excessif sur la fine.

C'est le rapport de forme qui décide si le vrillage se voit. Les constructeurs de cisailles citent couramment une largeur minimale de 10 à 15 fois l'épaisseur du matériau pour qu'une bande coupée reste à plat. La barre coupée à longueur est large par rapport à son épaisseur : le vrillage se manifeste donc comme un léger gauchissement à l'extrémité cisaillée plutôt que comme un tire-bouchon. Sur une barre étroite de 20 × 10 mm, le rapport est de 2

et le vrillage est bien réel.

Deux autres défauts de cisaille produisent de la déformation plutôt que du vrillage. Un jeu de lames trop ouvert laisse la matière rouler et se replier sur la lame inférieure avant de rompre, ce qui donne une grosse bavure et une pièce fléchie. Des lames émoussées écrasent avant de couper, ce qui injecte de la contrainte dans la pièce et la fléchit vers le bas après séparation. Les deux se diagnostiquent de la même façon, en examinant la face coupée à la recherche d'un affaissement de bord excessif et d'une bande de brunissage courte. La présentation du procédé de cisaillage en couvre la géométrie.

Comment le cintrage déforme

Le cintrage est une déformation voulue. La part non voulue est ce qu'il fait autour du pli.

Sur un cintrage à plat, la fibre extérieure s'allonge et la fibre intérieure se comprime, et comme les deux ne s'équilibrent pas, l'aile prend une légère cambrure et la section devient marginalement creuse sur sa largeur près du pli. Le retour élastique s'y ajoute : la barre se détend après retrait du poinçon, et un retour élastique non compensé laisse l'angle inscrit faux et l'aile en saillie.

La défaillance précise à surveiller est un trou proche de la tangente de cintrage. La matière autour du trou est entraînée dans le pli, le trou s'ovalise et sa position se déplace. Gardez les trous de passage à au moins deux épaisseurs de la tangente, et là où le plan en impose un plus près, poinçonnez après cintrage plutôt qu'avant.

Le mesurer correctement

Soutenez la barre en trois points sur une référence plane — un marbre en granit ou une table de machine vérifiée à la règle — plutôt que sur toute sa longueur sur une surface inconnue.

Pour la planéité d'une face, posez une règle en travers de la surface selon plusieurs orientations et lisez le jeu aux cales d'épaisseur, ou balayez la surface au comparateur monté sur colonne. Relevez la pire lecture et la longueur sur laquelle elle a été prise.

Pour la flèche et la cambrure, employez la méthode d'ASTM B187 : barre sur une table de niveau, l'écart de rectitude à l'horizontale, règle le long de l'arête examinée, flèche maximale de l'arc lue aux cales d'épaisseur. Notez laquelle des deux directions vous avez mesurée. Annoncer une « flèche » alors que vous avez mesuré une cambrure est l'erreur de contrôle la plus fréquente sur les jeux de barres.

Pour le vrillage, bridez une extrémité à plat sur le marbre et mesurez le jeu sous chacun des deux coins de l'extrémité libre. Le vrillage est la différence entre ces deux jeux divisée par la largeur de barre, rapportée en angle ou en millimètres par mètre. Indiquez la longueur : 0,5 mm de vrillage sur 300 mm et 0,5 mm sur 3000 mm ne sont pas comparables.

Lorsque l'une de ces mesures constitue un essai de réception, la longueur de référence et les conditions d'appui font partie de la spécification, au même titre que la valeur.

Ce qui est réellement atteignable

Les valeurs ci-dessous sont des ordres de grandeur destinés à la planification, non des garanties, et elles supposent un outillage affûté et en bon état. Les caractéristiques machines citées sont des valeurs publiées.

La précision angulaire au cintrage est une spécification distincte et ne doit pas être confondue avec la planéité. Une machine à cintrer servo tenant ±0,1° sur l'angle de pli ne dit rien de la planéité de l'aile, et les deux doivent figurer sur le plan si les deux importent.

Là où le cumul des écarts fait mal

Prenons une liaison triphasée empilée : quatre barres de 100 × 10 mm de cuivre sur supports isolants, 2 m entre raccordements, boulonnées à chaque extrémité au tronçon voisin.

Chaque barre porte une certaine cambrure, dont le sens est aléatoire d'une barre à l'autre. À la limite ASTM, cela représente environ 2,5 mm sur 2 m. Deux barres dont les cambrures s'opposent laissent un jeu de plusieurs millimètres à la face de raccordement. Les boulons le refermeront, car le cuivre est souple et un boulon M12 n'a aucune peine à fléchir une barre de 10 mm. Ce qui s'est produit, c'est que le raccordement porte désormais une précharge de flexion, que la pression de contact sur la face n'est plus uniforme, et que l'aire de contact effective est plus petite que l'aire dessinée.

C'est un problème d'échauffement, pas un problème d'esthétique. La résistance de raccordement est fixée par l'aire de contact réelle, et sous IEC 61439 les limites sont un échauffement de 105 K pour les jeux de barres en cuivre nu et de 70 K aux bornes destinées au raccordement de conducteurs extérieurs. Un raccordement boulonné à travers une flèche démarre sa vie avec moins d'aire de contact que la conception ne le supposait, et en perd davantage au fil des cycles thermiques. Si la conception est déjà proche de sa limite d'intensité admissible au raccordement, cette marge-là n'était pas disponible.

La position des trous s'y ajoute. Une barre cambrée porte son motif de trous sur une courbe : même parfaitement poinçonné, le motif est donc décalé par rapport à une barre en vis-à-vis rectiligne. Les boulons passent, parce que les trous de passage sont généreux. Le raccordement est précontraint quand même. La tolérance d'épaisseur se cumule dans la troisième direction : quatre barres par phase en empilage feuilleté, chacune au bas de la tolérance, cela change la hauteur totale de l'empilage et donc la longueur des boulons de serrage et la hauteur des entretoises. Faites ce calcul une fois par configuration standard plutôt que sur site.

Quand le dressage se justifie

Dressez lorsque la flèche ou le vrillage résiduels dépassent ce que l'assemblage peut absorber sans précontraindre un raccordement, ou lorsque la planéité de la face de raccordement est elle-même hors spécification. Pas pour que les barres aient meilleure allure sur le rack.

L'ordre des opérations est la partie que l'on rate le plus souvent. Planez la matière avant poinçonnage. Planer une barre poinçonnée redistribue la contrainte autour de trous qui existent déjà, peut déformer les trous proches du bord de barre, et sur un matériau à l'état dur peut laisser un nouveau champ de contraintes résiduelles qui réapparaît au cycle thermique suivant. Le planage par rouleaux redistribue la contrainte ; il ne l'efface pas.

Le dressage est donc un dernier recours dans une gamme raisonnable. Partez d'une matière planée, gardez l'outillage de poinçonnage affûté et correctement adapté en jeu sur la machine de poinçonnage et de cisaillage, séquencez le motif de trous pour répartir le travail, réduisez l'inclinaison de lame sur la cisaille lorsque la machine le permet, et compensez le retour élastique sur la station de cintrage pour que l'aile arrive là où le plan l'indique. Les barres produites ainsi ont rarement besoin d'être dressées.

Là où c'est nécessaire, spécifiez le dressage comme une étape de gamme avec sa propre mesure de réception, plutôt que de le laisser à un maillet sur l'établi de montage — où il s'en pratique aujourd'hui une bonne part, et où rien n'en est consigné.