Détensionnement et planéité : pourquoi un bâti usiné se déforme

Pourquoi un bâti mécanosoudé se déforme après usinage, ce qui distingue détensionnement thermique et vibratoire, et comment écrire une planéité tenable.

Un bâti de machine n’est pas terminé quand il sort de l’aléseuse. Il est terminé quand il est encore plan six mois plus tard, boulonné dans l’usine d’un client. Tout ce guide porte sur la différence entre ces deux moments.

D’où vient la déformation

Le soudage est un échauffement local et brutal suivi d’un refroidissement rapide. Le métal autour de chaque soudure se contracte contre une matière qui n’est pas libre de bouger, et ce qui ne peut pas bouger se transforme en contraintes résiduelles bloquées. Un mécanosoudé terminé peut être dimensionnellement parfait et pourtant plein d’énergie emmagasinée.

L’usinage la libère ensuite. Chaque passe enlève de la matière qui maintenait une partie de cet équilibre, et la structure se détend vers une nouvelle forme. Un bâti mesuré plan sur la table sort de tolérance du jour au lendemain. Les pièces de fonderie connaissent une version atténuée du même problème, due au refroidissement inégal dans le moule.

La question n’est donc jamais de savoir si la pièce va bouger. Elle est de savoir si elle bouge avant l’usinage ou après.

Les deux méthodes

Détensionnement thermique. La structure entre dans un four, est portée à une température de maintien bien inférieure à tout point de transformation, maintenue à cette température, puis refroidie lentement de façon contrôlée. À température, l’acier flue légèrement et les pics de contraintes résiduelles diminuent. C’est la méthode vers laquelle se tournent les spécifications, elle est parfaitement documentée et elle produit un diagramme que vous pouvez archiver.

Les coûts sont réels : un four assez grand pour la pièce, les manutentions au pont roulant, la file d’attente derrière d’autres travaux, et une calamine en surface qu’il faut ensuite éliminer par grenaillage. Pour un grand bâti, la disponibilité du four est souvent le poste le plus long du délai.

Détensionnement vibratoire. La structure est bridée, instrumentée et excitée à ses propres fréquences de résonance pendant une durée déterminée. Les pics de contrainte se redistribuent au lieu de disparaître. Cela prend des heures plutôt que des jours, coûte une fraction d’un cycle en four, ne nécessite pas de four et ne laisse pas de calamine.

La méthode est largement utilisée, avec succès, sur les bâtis de machine. Elle n’est pas non plus acceptée partout, et certains systèmes qualité ne la reconnaissent pas. C’est une décision de spécification, pas une préférence technique que l’on peut laisser à l’atelier.

La séquence qui fonctionne

Sur tout bâti dont les faces usinées comptent :

1. Souder la structure.
2. Détensionner.
3. Ébaucher, en laissant une surépaisseur sur chaque face fonctionnelle.
4. Détensionner de nouveau.
5. Finir.

Le second cycle est celui que l’on supprime pour économiser, et c’est justement celui qui empêche la pièce de bouger après livraison. Sur des travaux non critiques, un seul cycle après soudage est la pratique courante, mais précisez ce que vous achetez.

Laisser la pièce reposer entre l’ébauche et la finition aide aussi, et ne coûte que de la surface au sol et de la patience.

Rédiger une exigence de planéité qui a un sens

« Plan à 0,05 près » sur un plan n’est pas une spécification. Il y manque tout ce qui rend le chiffre mesurable.

Une exigence exploitable indique :

• Quelle surface. Chaque portée usinée séparément, ou toute la face supérieure comme une seule.
• Sur quelle longueur. 0,05 mm sur 300 mm et 0,05 mm sur 2000 mm sont deux travaux très différents.
• Par rapport à quelle référence. Parallélisme et perpendicularité n’ont aucun sens sans référence, et la grammaire pour les écrire est le tolérancement géométrique, tel que codifié dans l’ISO 1101 et l’ASME Y14.5. Choisissez la référence qui correspond à la façon dont la machine est assemblée et dont elle repose sur ses pieds.
• Mesurée comment. Règle et jeu de cales, niveau de précision, laser, MMT. Chacun a une résolution différente et un prix différent.
• Mesurée quand et où. Sur la machine après usinage, ou sur un marbre dans une salle de métrologie à une température indiquée. Une grande structure en acier change de dimensions avec la température ambiante, et sur un bâti de deux mètres, ce n’est pas une erreur d’arrondi.
• Supportée comment. Un bâti mesuré sur trois points ne donne pas la même lecture que le même bâti sur six. Indiquez-le, sinon vous mesurez la façon dont il a été posé.

Réunissez ces six points, et les devis de différents ateliers deviennent enfin comparables.

Ce que cela vous coûte

Resserrer la planéité n’est pas linéaire. Passer de 0,10 mm à 0,05 mm sur un mètre, c’est généralement une passe de plus. Passer de 0,05 mm à 0,02 mm peut impliquer une autre machine, un montage supplémentaire, une zone climatisée et un second cycle de détensionnement, et le prix évolue en conséquence.

Spécifiez donc ce dont la machine a réellement besoin. Des guidages posés sur une plaque scellée n’ont pas besoin de ce qu’exige un châssis de métrologie. Les plans les plus coûteux que nous voyons sont ceux où une tolérance par défaut a été appliquée à toutes les surfaces parce que personne n’a demandé lesquelles comptaient.

Avant de l’envoyer

Repérez les faces fonctionnelles, nommez les références, indiquez la méthode de détensionnement et si vous voulez le diagramme, et précisez quels documents de contrôle vous attendez à la livraison. Cette seule page de notes vaut plus qu’une semaine d’e-mails supplémentaire.

Envoyez le plan et nous vous dirons quels ateliers peuvent le tenir. Si vous êtes encore en train de choisir un type de construction, commencez par la fonte face à l’acier mécanosoudé.

Questions fréquentes

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