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Une invention importante de la mécanique de précision. L'origine des calibres d'épaisseur - article ; n°4 ; vol.16, pg 303-316

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Revue d'histoire des sciences et de leurs applications - Année 1963 - Volume 16 - Numéro 4 - Pages 303-316
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Source : Persée ; Ministère de la jeunesse, de l’éducation nationale et de la recherche, Direction de l’enseignement supérieur, Sous-direction des bibliothèques et de la documentation.

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Publié le 01 janvier 1963
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Langue Français
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R. S. Woodbury
Une invention importante de la mécanique de précision.
L'origine des calibres d'épaisseur
In: Revue d'histoire des sciences et de leurs applications. 1963, Tome 16 n°4. pp. 303-316.
Citer ce document / Cite this document :
S. Woodbury R. Une invention importante de la mécanique de précision. L'origine des calibres d'épaisseur. In: Revue d'histoire
des sciences et de leurs applications. 1963, Tome 16 n°4. pp. 303-316.
doi : 10.3406/rhs.1963.4466
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/rhs_0048-7996_1963_num_16_4_4466Une invention importante
de la mécanique de précision
L'origine des calibres d'épaisseur (1)
I. — Les cales d'épaisseur
ET LA FABRICATION DES PIÈCES STANDARD
Nous connaissons tous l'importance primordiale de la fabri
cation de pièces détachées, appliquée à de nombreuses méthodes
de production à la chaîne si significatives dans notre économie
industrielle. Mais bien peu d'entre nous connaissent exactement les
moyens précis dont disposent les fabricants de pièces détachées,
moins encore quelles furent les contributions propres de ceux qui
amenèrent cette révolution dans la fabrication de nombreux
objets que nous utilisons quotidiennement.
Trop souvent les pièces détachées ont été conçues comme
parties d'un produit final. Les démonstrations spectaculaires de
Éli Witney avec ses fusils et de Lelond avec sa Cadillac, pendant
lesquelles les mécanismes finaux furent assemblés à partir d'él
éments pris au hasard dans les réserves de pièces détachées, furent
simples et frappantes, mais à peine démonstratives. Car on en
vient immédiatement à se dire « les pièces s'ajustent mais avec
quelle précision doivent-elles s'ajuster » ? La réponse habituelle
a été qu'elles doivent s'ajuster suffisamment pour que marche le
mécanisme final tel qu'il a été conçu. Moins de précision causerait
un mauvais fonctionnement de l'appareil, plus de précision ne
pourrait qu'accroître son prix. Cela semble satisfaisant, jusqu'au
moment où le mécanicien chargé de faire la pièce fait remarquer
que tout cela est assez vague et qu'en mécanique pratique, aujour
d'hui, les tolérances peuvent s'échelonner entre 1/6 de pouce,
(1) Gage blocks : calibres ou cales d'épaisseur. Le texte de cet article est traduit de
l'anglais. revue d'histoire des sciences 304
dans certaines machines agricoles et un millionième de pouce,
ou même moins, dans le système de guidage par inertie des missiles.
Nous pouvons alors rechercher ailleurs une meilleure compréhens
ion de la signification exacte du terme fabrication de pièces
détachées, par exemple, dans les méthodes de de la
pièce dans l'atelier du mécanicien. Si nous observons le mécanicien
en train de fabriquer une de ces pièces, certains points nous appa
raissent essentiels. D'abord, il utilise une machine-outil de pré
cision. Ce travail exige un outil, qui a lui-même une précision
légèrement plus grande que la pièce à fabriquer, car quelques-unes
de ces inventions seulement peuvent reproduire leur propre pré
cision, spécialement dans des conditions de production en série.
Ici, l'élément essentiel est une machine qui permet le guidage précis
d'un instrument coupant par rapport à la pièce travaillée, et qui
a la force suffisante pour permettre à la pièce d'être d'un matériau
capable d'enregistrer cette précision. J'ai parlé ailleurs du dévelop
pement et de l'influence de ces machines-outils de précision.
Deuxièmement, nous devons avoir des instruments de précision
pour tenir et mouvoir la pièce, lorsqu'elle est coupée par un instr
ument au contrôle précis. Cet instrument est naturellement le
complément de la machine elle-même et peut donc en faire partie,
comme dans la à tailler les roues dentées, ou bien il peut
même prendre la forme d'un complément soigné tel que nous en
trouvons dans le tour. En général il comprend des bras, des fixations,
des arbres et des mandrins, quelquefois simples, quelquefois très
compliqués, mais tous destinés à contrôler avec précision la pièce
à travailler en la maintenant sans la déformer.
Ayant maintenant des moyens de contrôler la précision, à la
fois de la pièce à travailler et de l'outil qui doit la fabriquer,
notre mécanicien demandera alors « quelle forme aura-t-elle ?
Quelles doivent être ses dimensions ? Et, puisque je ne peux jamais
réaliser une dimension parfaite et encore moins la réaliser écono
miquement, à quelle précision dois-je produire les dimensions
désirées ? » Pour répondre à ces questions, le dessinateur fournit
un dessin industriel de la pièce avec l'indication des
et de leurs variations permises appelées « tolérances ». Notre
mécanicien sait» exactement, d'après ce dessin, ce que donnera la
pièce une fois terminée. L'usage de tels plans cotés n'est pas
ancien ; en fait, cette sorte de dessin n'était pas utilisée au siècle
dernier. Une évolution continue des pratiques des dessins, des UNE INVENTION IMPORTANTE DE LA MÉCANIQUE DE PRÉCISION 305
symboles, des conventions et autres fut nécessaire pour faire naître
ces méthodes importantes, grâce auxquelles la conception de
l'ingénieur est finalement reproduite en pièces de métal.
Mais notre mécanicien doit résoudre encore un autre problème.
Il nous demande : « Comment saurai-je quand mon morceau de
métal aura les dimensions du dessin et comment saurai-je que
ma pièce est dans les tolérances données ? » (Vous voyez que j'ai
pris, pour les besoins de la cause, un mécanicien assez stupide !)
Ceci nous amène à la question de la précision des mesures en atelier.
Les méthodes de mesure de précision furent développées, pour des
buts scientifiques, au début du xvie siècle. Ce qu'il fallait alors,
c'étaient des instruments de mesure capables de précision à l'échelle
du travail en atelier.
J'ai retracé autre part le passage des instruments de mesure
de précision depuis les laboratoires scientifiques jusqu'aux ateliers.
Les étapes essentielles en sont associées au nom de Joseph Brown,
à son invention du compas à vernier en 1851 et au perfectionnement
du compas micrométrique, après 1867.
Vers 1870, ces instruments sont devenus d'usage commun dans
les ateliers de mécanique. Le mécanicien possède alors un instr
ument de mesure de précision qu'il peut utiliser à son gré pour
traduire les dimensions données sur une planche en pièces de métal.
Mais, comme les tolérances permises devenaient de plus en
plus réduites, ces instruments de mesure ne purent produire rée
llement des pièces interchangeables, que si les dimensions données
par un certain micromètre, par exemple, correspondaient exac
tement avec les dimensions indiquées sur toutes les autres. En
résumé, tous les instruments de mesure d'atelier devaient être
calibrés à partir d'un modèle standard extrêmement précis pour
qu'une pièce, fabriquée à Cincinnati, puisse s'ajuster exactement
à d'autres pièces venant de Tulsa ou de Boston. Des étalons de
mesure précis avaient été étudiés dans des buts scientifiques, au
début du xixe siècle, mais ce ne fut pas avant le début du xxe siècle
que des cales d'épaisseur standard valables pour effectuer des
mesures précises en atelier furent mises en vente. C'est seulement
à ce moment qu'il devint possible de fabriquer, par la méthode
interchangeable, des pièces pour les machines et les instruments
exigeant une haute précision, et de les rendre utilisables dans notre
économie industrielle moderne.
Cette contribution de première importance pour notre techno-
t. xvi. — 1963 20 revue d'histoire des sciences 306
logie fut l'œuvre de Cari Edward Johansson de Eskilstura (Suède),
en 1896. L'histoire de l'invention, de son développement et de la
propagation de ces assortiments standard de cales d'épaisseur
de précision, soigneusement dessinées et fabriquées, a été relatée
dans l'exposé brillant et savant de Torsten K. W. Althin, directeur
du Musée technique de Stockholm, dans son livre C. E. Johansson,
1864-1949, Le maître de la mesure, Stockholm, 1948. Le travail
d'Althin repose sur une étude complète des papiers de
soigneusement conservés, et la plus grande partie a en été écrite
sur le bureau même de Johansson. Ce compte rendu sobre, soigneux
et rationnel du travail de Johansson fut d'emblée considéré comme
définitif. Dans ces dernières années, l'exposé contenu dans le
livre d'Althin et même le crédit accordé à Johansson pour l'inven
tion de l'instrument de la mesure moderne, ont été controversés
par un certain A. Edvard Oison, d'Eskilstura, dans une série de
conférences faites au Conseil municipal parallèlement
à un projet d'édification de la statue de Johansson dans cette ville.
Le livre d'Althin a été également discuté dans un pamphlet de
l'ingénieur civil Alvar Lenning, L'inventeur des cales d'épaisseur,
Stockholm, 1954. L'histoire de Lenning est visiblement inspirée
par Oison et repose entièrement sur son récit. Oison appuie ses
dires sur ce qu'il appelle ses connaissances personnelles, sur des
conversations avec d'autres personnes qui jouèrent un rôle dans
l'affaire et sur les mémoires de Hjalmar Ellstrôm reproduites
l'exposé de Lenning.
En résumé, Oison prétend que c'est Ellstrôm, et non pas
Johansson, qui fut l'inventeur et le propagateur de ce qui est
maintenant utilisé par tous les mécaniciens du monde, les cales
d'épaisseur de précision, que les seules contributions de Johansson
furent celles d'un entrepreneur et d'un vendeur et qu'au cours de
leur association, Johansson priva Ellstrôm, non seulement du crédit
de son invention, mais aussi de la juste part de gloire et de revenus
financiers qui découlèrent de cette importante innovation technique.
Le but de cet article est d'appliquer à une controverse qui
sévit avec beaucoup d'ardeur et, sans grand éclaircissement en fin
de compte, dans la littérature suédoise, l'attitude calme et impart
iale possible à quelqu'un qui, sans se trouver engagé dans la
question, s'y intéresse cependant ; et, ainsi, d'appliquer à de tels
faits ce qui peut être clairement établi par l'évidence même, par
les instruments et les méthodes de l'histoire de la technologie. UNE INVENTION IMPORTANTE DE LA MÉCANIQUE DE PRÉCISION 307
IL — Les éléments techniques
d'un ensemble de cales d'épaisseur
Avant de distinguer les contributions apportées par Johansson
et Ellstrôm aux instruments de mesure modernes, nous devons
nous représenter clairement quels éléments techniques précis
comporte cet apport important aux méthodes de production de
précision. Supposons que nous ayons devant nous un jeu moderne
de cales d'épaisseur. Qu'y a-t-il là ? D'abord nous avons un
ensemble de blocs d'acier fabriqués selon certaines dimensions.
Cette invention ne peut être portée ni au crédit de Johansson ni
à celui d'Ellstrôm, car comme le montre Althin, de tels éléments
étaient utilisés par Christophe Polhen avant 1750.
Deuxièmement, au lieu d'être préparées spécialement pour
fabriquer, suivant des dimensions déterminées, une pièce donnée
d'un élément déterminé (fig. 1), ces cales d'épaisseur sont fabriquées
pour certaines dimensions standard d'unités, dizaines, centaines,
millièmes et millionièmes de pouce ou de centimètre. Ceci n'était
pas nouveau en 1895, dès 1851 Withworth en faisait usage. Althin
ne le revendique pas pour Johansson, Olson, lui, semble ne pouvoir
s'y résoudre, car il proclame que cela fut l'invention d'Ellstrôm,
se servant alors de l'utilisation antérieure de Withworth comme
argument contre Johansson.
Troisièmement, la dimension de ces blocs est ajustée avec une
extrême précision, à tel point que chaque bloc marqué 1,0000 pouce,
par exemple, est exactement semblable à tout autre bloc ainsi marqué,
au millionième de pouce près. Cela était nouveau et fut revendiqué
à la fois pour le compte de Johansson et pour celui d'Ellstrôm.
Quatrièmement, chaque instrument a des plans de mesure
d'une telle rectitude d'angles et d'une telle finition de surface
que lorsqu'ils sont convenablement ajustés, ils adhèrent les uns
aux autres par attraction moléculaire. De plus, les surfaces qui se
mesurent dans chaque instrument sont assez parfaitement paral
lèles pour que, lorsqu'on assemble une ou deux de ces cales, la
dimension totale de l'ensemble soit égale au total des dimensions
indiquées sur chacune d'entre elles, avec un ordre de précision
égal à celui des cales prises séparément. Ce point était nouveau et
fut revendiqué pour Johansson et très vaguement pour Ellstrôm.
Cinquièmement, nous avons ici un ensemble de quelque
103 cales soigneusement conçues, et de dimensions différentes, 308 revue d'histoire des sciences
mais minutieusement choisies ; nous pouvons les assembler pour
obtenir n'importe laquelle des quelque 40 000 dimensions de
précision entre 1 ,005 et à peu près 1 000 mm et cela avec un nombre
minimum de cales de l'assortiment. Ceci fut l'invention pour
laquelle Johansson sollicita le brevet suédois n° 17017 en mai 1901
(enregistré le 30 janvier 1904). Cette idée n'est pas revendiquée
par Ellstrôm.
Sixièmement, les dimensions de toutes ces cales ont été soigneu
sement comparées au mètre-étalon ou au yard-étalon par les
méthodes les plus précises. Ces cales d'épaisseur d'atelier sont
donc internationales et correspondent aux plus hauts étalons scien
tifiques. Ce point est une importante contribution de Johansson,
qui n'est même pas mentionnée par les avocats d'Ellstrôm.
Ces caractéristiques des cales d'épaisseur de précision, que nous
venons d'examiner en détail, apparaissent quand on en regarde
l'ensemble ; et elles sont à l'origine matière à invention.
Il y a pourtant des éléments importants moins apparents et
dépendant plus de la méthode de fabrication de ces instruments
et de la façon dont ils sont utilisés à l'atelier.
Le septième point, maintenant, est le choix de la qualité d'acier
employé pour ces blocs, en particulier, pour en obtenir l'extrême
dureté nécessaire à leur résistance. Ellstrôm reconnaît de lui-même
dans ses mémoires que le mérite en revient à Johansson.
Le huitième point pour fabriquer ces blocs est la technique
du moulage et du recouvrement des surfaces de mesure pour
donner le poli nécessaire à ces surfaces, afin d'obtenir des plans
précis et exactement parallèles les uns aux autres et pour que les
surfaces aient entre elles exactement les distances prescrites.
L'ensemble de ces techniques, souvent appelé « le secret » fut
revendiqué par les deux hommes.
Certaines tensions s'établiront dans ces cales de mesure pendant
le processus de durcissement et de refroidissement, ce qui cause
petit à petit des déformations à mesure que le temps passe. Il
s'avéra nécessaire de supprimer ces tensions internes par un neu
vième élément, le procédé de « stabilisation ». Ce procédé n'était
pas entièrement nouveau, mais est revendiqué dans cette appli
cation par les deux hommes.
Le dixième élément dans la fabrication de ces instruments est
la nécessité de mesurer avec exactitude chaque cale terminée.
Althin attribue les méthodes afférentes à Johansson. Dans ses Fig. 1. — Cales d'épaisseur fabriquées pour des besoins spéciaux, 1890
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fabriquée Fig. 2. — par Première Johanson boîte pour de la cales vente d'épaisseur en 1899 310 REVUE D'HISTOIRE DES SCIENCES
i
mémoires, Ellstrôm semble penser que Johansson était un peu
insensé de se préoccuper autant de ce détail.
L'effet de la température sur un morceau d'acier est bien connu,
mais lorsqu'il s'agit de cales d'épaisseur de haute précision, cet
effet introduit un certain nombre de problèmes sérieux, tous résolus
par Johansson, et qui ne se présentèrent pas à l'esprit d'Ellstrôm.
Lorsque nous disons que cette cale d'épaisseur est de 1,0005 pouces,
il nous faut aussi spécifier pour quelle température, car à haute
température, elle s'allongera légèrement et, à basse température,
elle raccourcira. Les étalons scientifiques de longueur furent établis
à des températures rarement rencontrées et encore moins entre
tenues dans un atelier de mécanique. Johansson a donc standardisé
ses dimensions à 20° G (68° F), aussi près que possible de la tem
pérature d'un atelier de Ceci est le onzième élément
nécessaire à la fabrication et à l'utilisation des cales de précision.
Le douzième élément est plus abstrait et technique mais d'une
grande importance. C'est le concept de tolérance progressive. Là,
Johansson alla plus loin encore que les scientifiques, qui avaient
tous utilisé le concept de tolérance constante. Puisque les cales
d'épaisseur sont normalement utilisées en groupe de 3 ou 4 pour
obtenir la dimension voulue en les assemblant, et que chacune
est fabriquée avec une certaine marge dans ses propres dimensions,
quelle est alors la tolérance de la dimension formée par leur assem
blage? Pour une marge constante, nous ne le savons pas. Si, à l'inté
rieur de l'ensemble chaque cale est fabriquée avec une marge qui
lui est propre et qui s'accroît proportionnellement quand la longueur
du bloc s'accroît, nous avons une tolérance progressive et nous
pouvons alors multiplier des mesures précises. Mais quel coefficient
d'accroissement choisirons-nous ? Johansson reconnut, avant 1907,
qu'il était avisé de prendre le même coefficient de tolérance que le
coefficient de dilatation de l'acier. Il est alors bien facile de calculer
la dimension précise pour n'importe quelle combinaison de cales
à température normale.
Johansson a lié ensuite son système de mesure au mètre-étalon
scientifique de Paris et naturellement aux propriétés physiques
du matériau dans lequel ses cales étaient fabriquées.
En considérant son assortiment de cales d'épaisseur, logique
ment conçues pour donner n'importe quelle mesure, nous avons
ici la base véritable du système de cales d'épaisseur de précision
qui fut reconnue comme telle, aussi bien par les scientifiques que UNE INVENTION IMPORTANTE DE LA MÉCANIQUE DE PRÉCISION 311
par les mécaniciens. Les avocats d'Ellstrôm n'atteignirent jamais
le niveau de compréhension de cales d'épaisseur auquel ils pouvaient
proclamer que ces éléments n'étaient pas le travail de Johansson.
Il reste un dernier élément dans le système des cales d'épais
seur de précision : son adoption universelle dans les ateliers et
dans les laboratoires de recherche utilisant partout des machines
de précision.
Cela est si évidemment le fait de Johansson qu'Oison ne le
réclame même pas pour Hjalmar Ellstrôm. Il ne faut pourtant
pas manquer de noter que c'est là un élément aussi important que
l'invention elle-même.
Il reste encore un certain nombre d'éléments importants du
système de cale d'épaisseur de précision pour les ateliers pour
lesquels les revendications de Johansson ne sont même pas
contestées. Je laisse l'historique de ceux-là aux lecteurs de l'excel
lent livre d'Althin. Il y a pourtant, comme l'a montré cette analyse,
quelques autres éléments de première importance qui sont encore
sérieusement revendiqués pour Ellstrôm. Il nous faut les consi
dérer avec attention.
III. — La « saga » d'Ellstrôm
Une saga raconte, généralement de la manière la plus héroïque,
les actions d'un demi-dieu. L'histoire d'Ellstrôm, telle qu'elle
est décrite dans une brochure intitulée La saga d'Ellslrôm, ne
répond pas à ce type. Les comptes rendus par Oison et Lenning
ne sont pas au niveau du sobre exposé d'Althin à propos de
Johansson et ils en sont d'autant moins des sagas nordiques. En
fait, un chercheur devrait y « piocher » dur pour trouver quelques
petites pépites de métal pur dans le flot de bavardage et de faits
rapportés, des arguments illogiques, des graves contresens et des
erreurs de ces deux hommes. Des arguments invraisemblables sur
les arrangements financiers et de sérieuses erreurs de faits sont
mêlés dans un farouche désordre de déclarations fanatiques,
faites sans véritable analyse et considérant avec moins de soin encore
les évidences.
Toute tentative pour répondre dans le détail à ce genre d'absurd
ité serait une perte de temps, car, aux personnes qui discutent à
la façon de ces auteurs on ne peut jamais répondre d'une manière
qui les satisfasse par un argument calme et logique basé sur des