Tolérances de forme, d'orientation, de position et de battement

Afin de définir la géométrie d'une pièce, le premier réflexe va être de la coter dimensionnellement, c'est à dire avec des distances entre éléments (faces, perçages...), avec ou sans tolérances.
Mais cela ne suffit pas ! En effet, des cotes de distances ne permettent pas, par exemple, de garantir un parallélisme ou le respect d'une forme. Pour ça, on va utiliser les tolérances géométriques.

A noter : les tolérances géométriques sont à la base du système de cotation ISO GPS, qui est la manière normalisée de coter et que tout le monde devrait utiliser...
En effet, une cotation avec des cotes "en plus ou moins" présente de nombreuses ambiguïtés et des problèmes de mesure, ne pouvant donc pas garantir la géométrie d'une pièce.

Avant d'aller plus loin, il est important de préciser que le tolérancement géométrique est un sujet très vaste, et donc qui ne peut pas être couvert par un simple article.
Nous parlons ici uniquement des tolérances géométriques (forme, orientation, position, battement) mais n'abordons pas les autres composantes qui seront détaillées dans d'autres articles. Pour informations, ces composantes sont principalement :

• Les références (et systèmes de références)
  Une référence va désigner une entité "parfaite" (par exemple un plan, une droite, ou un point) qui va donner une ou plusieurs directions de mesure. Comme son nom l'indique, cet élément de référence va servir à l'évaluation d'une tolérance : on va regarder la tolérance "par rapport" à une référence.
• Les tolérances
  Le cœur du sujet... Il existe quatre types de tolérances :
  • Tolérances de forme : elles vont définir la géométrie "pure" d'un élément (droite, plan, cylindre, forme gauche...). Par conséquent, les tolérances de forme ne sont jamais associées à un système de références, vu qu'on les compare à elle-mêmes...
  • Tolérances d'orientation : ici, on va regarder l'orientation (angle, parallélisme ou perpendicularité) de la face tolérancée par rapport à une référence unique (sauf tolérances de profil, voir plus loin).
  • Tolérances de position : comme le nom l'indique, on va regarder ici la position d'un élément par rapport à une ou plusieurs références
  • Tolérances de battement : réservées aux pièces de révolution, on cherchera ici la déviation d'une ligne ou d'une surface sur un tour complet de la pièce
• Les modificateurs :
  Les modificateurs permettent de modifier, ou plutôt préciser, la manière dont la tolérance devra être mesurée, et donc d'ajuster la conformité ou non-conformité de la pièce.
• La représentation graphique :
  La représentation graphique est très codifiée et assez complexe à appréhender. Chaque élément a sa signification, qui pourra varier selon la position sur le dessin et le contexte d'utilisation...

Les tolérances de forme

Traditionnellement, toutes les tolérances de forme sont présentées d'un bloc. Ici, nous les avons scindé en deux familles : les tolérances en 2D (éléments mesurés dans le plan) et les tolérances en 3D (éléments mesurés dans l'espace)

Tolérances de forme en 2D

Rectitude

• L'élément tolérancé (une ligne), doit être compris entre deux droites parallèles distantes de la valeur de la tolérance
• Il n'y a aucune notion d'orientation, ainsi la zone tolérancée n'est pas nécessairement parallèle à la ligne théorique
• Si la rectitude est appliquée à un cylindre, le plus souvent on cherche en fait la rectitude de l'axe et non pas d'une ligne de la périphérie. La différence est faite selon la position de la flèche (flèche alignée à la cote → rectitude de l'axe)

Circularité

• L'élément tolérancé (un cercle), doit être compris entre deux cercles concentriques distants de la valeur de la tolérance (au rayon)
• Dans la pratique, on mesurera plusieurs cercles, sur des plans parallèles (et perpendiculaires à l'axe moyen). Du moment que tous ces cercles respectent indépendamment la contrainte, la pièce sera considérée bonne, même si les cercles mesurés ne sont pas "alignés". Avec la circularité, on raisonne en 2D et non en 3D
• Attention : la circularité est complètement indépendante du diamètre mesuré. Par exemple, un cône pourra parfaitement respecter une contrainte de circularité

Profil d'une ligne

• L'élément tolérancé (une ligne quelconque), doit être compris entre deux lignes parallèles à la ligne théorique et distantes de la valeur de la tolérance
• Les contraintes de rectitude et de circularité ne sont, au final, que des cas particuliers de la contrainte de profil de ligne
• Une référence peut être ajoutée à la contrainte de profil de ligne : à ce moment-là, ce n'est plus une tolérance de forme mais une tolérance de position ou (plus rarement) d'orientation, la signification est donc différente. Cependant, en pratique, c'est très peu utilisé (exception : plans de tuyautage)
• Nous ne le voyons pas dans cet article, mais il est possible d'indiquer des "bornes" à la contrainte de profil de ligne afin d'étendre ou restreindre la zone de contrôle (par défaut, l'élément tolérancé est uniquement l'élément simple désigné)

Tolérances de forme en 3D

Planéité

• L'élément tolérancé (un plan), doit être compris entre deux plans parallèles distants de la valeur de la tolérance
• La planéité est en quelque sorte la grande soeur de la rectitude... En passant du plan au volume. Mais attention, les deux contraintes sont fondamentalement différentes !

Cylindricité

• L'élément tolérancé (un cylindre), doit être compris entre deux cylindres concentriques distants de la valeur de la tolérance (au rayon)
• La cylindricité est en quelque sorte la grande soeur de la circularité... En passant du plan au volume. Mais attention, les deux contraintes sont fondamentalement différentes !

Profil d'une surface

• L'élément tolérancé (une surface quelconque), doit être compris entre deux surfaces parallèles à la surface théorique et distantes de la valeur de la tolérance
• Une référence peut être ajoutée à la contrainte de profil de surface : à ce moment-là, ce n'est plus une tolérance de forme mais une tolérance de position ou d'orientation (voir plus loin), la signification est donc différente
• En pratique, cette tolérance est de plus en plus utilisée, car elle permet de coter facilement une surface complexe (aile de voiture, pièce de décoration...). Dans ce cas là, la surface à contrôler n'est pas cotée avec des cotes encadrées, c'est le fichier 3D qui sert de référence et devient partie intégrante de la cotation...
• Nous ne le voyons pas dans cet article, mais il est possible d'indiquer des "bornes" à la contrainte de profil de surface afin d'étendre la zone de contrôle (par défaut, l'élément tolérancé est uniquement l'élément simple désigné)

Tolérances d’orientation

Parallélisme

• L'élément tolérancé (un plan ou une droite), doit être compris entre deux plans parallèles distants de la valeur de la tolérance ET parallèles au plan de référence primaire
• La distance entre la référence et l'élément tolérancé n'est pas prise en compte (voir Localisation)
• Le parallélisme peut également être utilisé entre deux axes (la référence et l'élément tolérancé sont des axes)

Perpendicularité

• L'élément tolérancé (un plan ou une droite), doit être compris entre, soit :
  • Deux plans parallèles distants de la valeur de la tolérance ET perpendiculaires au plan de référence primaire
  • Un cylindre ayant pour diamètre la valeur de la tolérance
  • Deux droites parallèles distantes de la valeur de la tolérance ET perpendiculaires au plan de référence primaire
• Attention à raisonner en volume... Si l'élément tolérancé ou la référence sont des axes, on va comparer l'orientation entre un axe et un plan complet, et non pas entre un axe et une ligne

Inclinaison

• L'élément tolérancé (un plan ou une droite), doit être compris entre deux plans parallèles distants de la valeur de la tolérance ET orientés par rapport au plan de référence primaire selon un angle en cote encadrée
• Au final, la perpendicularité est une contrainte d'inclinaison spécifique, où l'angle d'orientation est de 90° et n'est pas mentionné au plan en cote encadrée... De même, le parallélisme est une inclinaison particulière avec un angle de 0°

Tolérances de position

Localisation

• L'élément tolérancé (un plan, une droite ou un point), doit être compris dans la zone construite par les références, les cotes encadrées liées, et bien sûr la valeur de tolérance. Cela pourra être deux plans ou un cylindre selon le cas.
• Pour un plan, la localisation correspondrait à un parallélisme (ou une inclinaison) avec contrôle de la distance
• Pour un alésage, on va contrôler la position X/Y avec deux références, et également la perpendicularité à la face en utilisant trois références

Coaxialité / Concentricité

• L'élément tolérancé (un axe ou un point), doit être compris dans le cylindre (ou cercle) de diamètre égal à la tolérance, coaxial (ou concentrique) à l'axe de référence
• Selon la forme de la pièce, utiliser une référence en zone commune est souvent bien adapté (l'axe de référence est construit à partir de deux cylindres distincts)
• On parle de coaxialité pour deux axes, et concentricité pour deux centres de cercles
• Avec une concentricité ou une coaxialité, l'utilisation du symbole Ø est obligatoire

Symétrie

• L'élément tolérancé (un plan ou une droite), doit être compris entre deux plans parallèles distants de la valeur de la tolérance ET centrés sur le plan formé par le système de référence(s).
• La symétrie est couramment utilisée pour tolérancer une position de rainure

Profil d'une surface avec référence(s)

• L'élément tolérancé (une surface quelconque), doit être compris entre deux surfaces parallèles à la surface théorique et distantes de la valeur de la tolérance. La surface théorique est positionnée par rapport à des références
• La tolérance de profil d'une surface avec références pourrait, en quelque sorte, être comparée à une contrainte de localisation mais utilisée pour une surface quelconque

Tolérances de battement

Avant tout, petite précision : les contraintes de battement ne concernent que des pièces de révolution, et n'ont de sens que pour des pièces en mouvement, par exemple un roulement. Dans un contexte statique, on utilisera selon le cas une perpendicularité, une coaxialité...

Battement circulaire

• Le battement circulaire (anciennement appelé "battement simple"), existe principalement en deux "versions" : le battement circulaire axial et le battement circulaire radial. Dans tous les cas, la référence associée est l'axe de symétrie d'une surface de révolution, qui sera entraînée en rotation pour contrôler la tolérance
• Pour un battement, le sens de la flèche indique le sens de mesure : si la flèche est dans le même sens que l'axe de référence, on a un battement axial. Et bien sûr, si la flèche est perpendiculaire à l'axe de référence on a un battement radial. On peut également avoir un battement à angle fixé, sur un cône par exemple
• Pour le battement circulaire radial, l'élément tolérancé est un ensemble de lignes circulaires dans des plans perpendiculaires à l'axe de référence. Il faut que chaque ligne respecte indépendemment la contrainte exigée, à savoir être comprise entre deux cercles concentriques avec l'axe de référence et distants de la valeur de la tolérance (un peu à l'image de la tolérance de circularité)
• Le battement circulaire radial est en quelque sorte la combinaison d'une contrainte de circularité et d'une contrainte de concentricité
• Pour le battement circulaire axial, l'élément tolérancé est un ensemble de lignes circulaires sur la face plane perpendiculaire à l'axe de référence. Il faut que chaque ligne respecte indépendemment la contrainte exigée, à savoir être comprise entre deux cercles parallèles et distants de la valeur de la tolérance, concentriques avec l'axe de référence (un peu à l'image de la tolérance de rectitude)

Battement total

• Le battement total existe également en deux "versions" principalement : le battement total axial et le battement total radial. Dans tous les cas, la référence associée est l'axe de symétrie d'une surface de révolution, entraînée en rotation en continu pour contrôler la tolérance
• Pour un battement, le sens de la flèche indique le sens de mesure : si la flèche est dans le même sens que l'axe de référence, on a un battement axial. Et bien sûr, si la flèche est perpendiculaire à l'axe de référence on a un battement radial. On peut également avoir un battement à angle fixé, sur un cône par exemple
• Pour le battement total radial, l'élément tolérancé est un cylindre coaxial à l'axe de référence. Il doit être compris entre deux cylindres coaxiaux de l'axe de référence et distants de la valeur de la tolérance (un peu à l'image de la tolérance de cylindricité)
• Le battement total radial est la combinaison d'une contrainte de cylindricité et d'une contrainte de coaxialité. Il sert notamment à contrôler le balourd sur des axes pleins
• Pour le battement total axial, l'élément tolérancé est une surface perpendiculaire à l'axe de référence. Il faut qu'elle soit comprise entre deux plans perpendiculiares à l'axe de référence et distants de la valeur de la tolérance (un peu à l'image de la tolérance de parallélisme)
• Le battement axial est une contrainte de perpendicularité pour une pièce de révolution

Principe d'inclusion des tolérances

Cela ne vous aura certainement pas échappé, mais on note certaines similitudes entre plusieurs de ces contraintes, d'une famille à l'autre. Par exemple :
Planéité → Parallélisme → Localisation

En fait, on va pouvoir dire qu'une localisation de plan inclut, implicitement, un parallélisme, et que le parallélisme inclut implicitement une planéité.
En effet, pour avoir un parallélisme à 0,2 par exemple, le plan mesuré devra nécessairement avoir une planéité inférieure ou égale à 0,2...
Voici un petit schéma pour illustrer ce phénomène :

Pour aller plus loin...

Afin d'approfondir les points résumés ici, ou lire des articles liés, vous pouvez consulter ces liens :

• Introduction à la cotation ISO
• Les tolérances générales
• Norme ISO 1101:2017
• Norme ISO 5459:2011