2.2 Comparateurs, cales étalons et calibres : mesurer par comparaison

En mesure directe, l'instrument porte sa propre échelle sur toute la longueur mesurée : un pied à coulisse qui lit 41,12 mm engage toute sa règle, de zéro à 41 mm. Ses erreurs d'échelle, de parallélisme et de basculement s'accumulent sur cette longueur.

En mesure par comparaison, on confie la longueur à un étalon (cales étalons, bague ou pièce de référence) et on ne demande à l'instrument que l'écart entre la pièce et cet étalon. Le comparateur ne parcourt alors que quelques centièmes ou quelques microns, là où ses erreurs sont les plus faibles.

La comparaison n'est pas réservée aux longueurs. Le battement d'un arbre entre pointes, la planéité d'une face sur marbre ou le parallélisme de deux faces se contrôlent en promenant un comparateur et en lisant la variation de l'indication. Dans ce cas, il n'y a pas de référence de longueur : la référence est géométrique (l'axe des pointes, le plan du marbre).

Le comparateur à cadran (ISO 463:2006 pour les modèles mécaniques) transforme le déplacement axial d'une tige palpeuse en rotation d'une aiguille, par crémaillère et engrenages. Une petite aiguille compte les tours. La graduation courante est de 0,01 mm, avec des versions au 0,001 mm pour les travaux fins.

Le comparateur à levier (ISO 9493:2010) porte une touche pivotante : le déplacement angulaire de la touche est amplifié vers l'aiguille. Sa faible course et sa touche orientable le destinent aux endroits peu accessibles : alésages, rainures, centrage d'une pièce sur une machine.

Un comparateur ne s'utilise pas en bout de course. On le précontraint de quelques dixièmes ou d'un tour d'aiguille, pour qu'il puisse lire dans les deux sens. On évite aussi les chocs de la touche : un lâcher brutal de la tige use le mécanisme et dégrade la fidélité, sans que rien ne se voie sur le cadran.

Un comparateur ne vaut que ce que vaut son montage. Toute flexion du support entre la référence et la pièce s'ajoute à la mesure. La chaîne à maîtriser va du marbre (surface de référence plane, en granit ou en fonte) au pied du support, puis à la colonne, au bras et enfin à la tige.

• Support rigide : pied lourd ou magnétique bien bridé, colonne courte, bras le plus rentré possible.
• Surfaces propres : marbre, dessous de la pièce et cales essuyés ; une poussière sous la pièce ajoute son épaisseur.
• Même trajectoire : la pièce et la référence glissent sous la touche de la même façon, sans soulever le support.
• Zéro recontrôlé : on repasse la référence en fin de série ; une dérive du zéro invalide les mesures de la série.

Dans cet exemple, l'incertitude du résultat dépend surtout de la longueur réelle de l'empilage, de la répétabilité du comparateur sur 0,012 mm et de l'écart de température entre cales et pièce. La longueur totale de 41 mm n'est plus lue par l'instrument : c'est l'avantage de la méthode.

Une cale étalon est un bloc à deux faces planes et parallèles, dont la distance est la longueur de la cale. La norme ISO 3650:1998 en fixe les caractéristiques pour des longueurs nominales de 0,5 à 1 000 mm. Ce sont les étalons de longueur les plus courants de l'industrie : ils servent à régler les comparateurs, à vérifier les pieds et micromètres, à étalonner d'autres instruments.

Les écarts limites de chaque classe se lisent dans la norme selon la longueur nominale. Le choix d'une classe se fait par rapport au besoin : une cale de classe 2 dont on connaît l'écart réel par étalonnage peut servir de référence plus fine que sa classe ne le laisse croire, à condition d'appliquer la correction.

L'adhérence

Deux cales propres, glissées l'une sur l'autre avec une légère pression, adhèrent par leurs faces planes. On parle d'adhérence (en anglais wringing). L'empilage se manipule alors comme un bloc unique, et le film qui sépare les faces est très mince, sans être nul : chaque jonction ajoute un peu d'incertitude.

Un coffret de cales permet d'obtenir un grand nombre de longueurs avec un nombre limité de blocs. La règle est d'utiliser le moins de cales possible, pour limiter le nombre de jonctions et le cumul des écarts. La méthode consiste à éliminer les décimales en partant de la dernière.

Avant de monter l'empilage, on vérifie que les cales choisies sont dans le coffret et en bon état, et on note leurs numéros si l'on veut appliquer leurs écarts d'étalonnage. La longueur de l'empilage est alors la somme des longueurs réelles, et non des longueurs nominales.

L'incertitude de l'empilage combine celles de chaque cale, les jonctions et l'écart de température entre les cales et la pièce. La manière de les combiner est l'objet du chapitre 4.2 : il suffit ici de retenir qu'un empilage de quatre cales est préférable à un empilage de sept pour la même longueur.

Un calibre à limites ne mesure rien : il matérialise les deux limites de la tolérance. Le tampon contrôle un alésage, la bague un arbre, le calibre à mâchoires une épaisseur ou un diamètre extérieur. Chacun a un côté « entre » et un côté « n'entre pas ». Les calibres lisses de dimension linéaire font l'objet de la norme ISO 1938-1, qui fixe notamment leurs tolérances de fabrication et d'usure.

Les limites s'appuient sur le système ISO de tolérances (ISO 286-1 et ISO 286-2). Pour un alésage Ø 20 H7, l'écart inférieur de H est nul et l'intervalle de tolérance IT7 vaut 21 µm pour les diamètres de 18 à 30 mm : l'alésage doit mesurer entre 20,000 et 20,021 mm. La lecture de ces symboles est détaillée dans la formation Lecture de plans, chapitre cotation et tolérances.

Le principe de Taylor explique pourquoi les deux côtés d'un calibre ne se ressemblent pas. Un alésage légèrement ovale peut laisser passer un tampon « n'entre pas » cylindrique complet dans une direction et pas dans l'autre ; un tampon « entre » court peut s'engager dans un alésage courbé qui refusera l'arbre réel. Le côté « entre » est donc long et complet, le côté « n'entre pas » court ou à touches.

Un calibre s'use surtout du côté « entre », celui qui frotte à chaque contrôle. Il se vérifie périodiquement, comme tout moyen de mesure, et se retire quand il atteint sa limite d'usure. Un calibre usé accepte des pièces qu'il aurait dû refuser.

Le calibre donne un attribut : bon ou mauvais. Le comparateur ou le micromètre donnent une variable : une valeur chiffrée. Les deux ont leur place, mais ils ne renseignent pas du tout de la même façon sur le procédé.

En pratique, le calibre convient aux cotes fonctionnelles d'assemblage contrôlées en grande série, quand le procédé est stable et que l'on veut une réponse immédiate au poste. La mesure variable s'impose dès que l'on veut piloter le procédé, prouver une capabilité ou décider près des limites.

Le choix de l'instrument se fait aussi par rapport à la tolérance : on compare sa résolution et l'incertitude attendue à l'intervalle de tolérance. Le calculateur d'aptitude des moyens de mesure fait ce calcul du rapport entre incertitude et tolérance et du rapport résolution sur tolérance.