ES2307556T3 - Mandril de sujecion. - Google Patents

Abstract

Mandril de sujeción (1) para una máquina herramienta, que comprende mordazas (12a, 12b, 12c) con dos grados de libertad con respecto al cuerpo de base del mandril (1), un grado de libertad de translación, dirigido esencialmente radial al eje de giro (F) del mandril (1), y un grado de libertad de rotación limitado alrededor de un eje de articulación (Z) esencialmente paralelo al eje de giro (F) del mandril, que sigue los movimientos radiales de la mordaza (12a, 12b, 12c) respectiva, caracterizado porque cada mordaza (12a, 12b, 12c) presenta una corredera (15a, 15b, 15c) al menos parcialmente simétrica rotativa alrededor del eje de articulación (Z) y que se desliza en una guía radial (16a, 16b, 16c) del mandril (1).

Description

Mandril de sujeción.

La invención se refiere a un mandril de sujeción de compensación para máquinas herramientas, que permite agarrar una pieza de trabajo empotrada entre puntas, también sobre superficies ligeramente excéntricas, sin dañarlas o sin ejercer pares de flexión no deseados sobre la pieza de trabajo. Esto es especialmente necesario cuando la pieza de trabajo está empotrada para una mecanización lo más exacta posible entre puntas, que determinan su eje de giro retenido durante la mecanización, pero al mismo tiempo para la transmisión de un par de torsión necesario, por ejemplo, para un rectificado no redondo, debe ser agarrado por las pinzas de un mandril de sujeción. Debido a las tolerancias inevitables de la superficie de la pieza de trabajo agarrada por las pinzas hay que contar con que el eje de rotación del mandril de sujeción -mencionado delante de forma abreviada como eje de mandril- no coincide exactamente con el eje de giro de la pieza de trabajo determinado por las puntas.

Para evitar una presión desigual de las mordazas individuales del mandril de sujeción sobre la superficie empotrada, y la aparición implicada con ello de fuerzas no deseadas, deben adaptarse las posiciones radiales de las mordazas de una manera automática a una eventual excentricidad de los lugares de la pieza de trabajo agarrados por las mordazas. A tal fin existen mandriles de sujeción con las llamadas mordazas de compensación, que no tienen que tener forzosamente todas la misma distancia desde el eje del mandril, porque el mandril compensa de forma automática las fuerzas de empotramiento que actúan sobre las mordazas. Esto se puede conseguir, por ejemplo, por medio de una transmisión hidráulica, configurada geométricamente idéntica para todas las mordazas, de las fuerzas de sujeción, o se puede conseguir mecánicamente a través de un disco oscilante, que distribuye la fuerza de sujeción de una manera uniforme sobre todas las mordazas. Pero la adaptación radial conseguida de esta manera de las posiciones de las mordazas a la excentricidad existente entre el eje de giro y el eje del mandril permite eludir otro problema que es cada vez más importante con los requerimientos actuales, extremadamente altos, planteados a la exactitud de mecanización, donde, en efecto, las distancias radiales de las mordazas son corregidas por el eje de giro, pero no la alineación deficiente, condicionada por la excentricidad, de las mordazas en la dirección del eje de giro. En casi todos los casos, las mordazas agarran una superficie cilíndrica de la pieza de trajo y con tal que las superficies de trabajo de agarre de las mordazas sean planas, es suficiente una compensación radial de las mordazas, para agarrar perfectamente la pieza de trabajo, incluso cuando el eje de la superficie cilíndrica no coincide con el eje del mandril. Las superficies de trabajo planas de las mordazas se apoyan tangencialmente en la superficie cilíndrica de las piezas de trabajo cuando, debido a la excentricidad de las líneas de contacto entre las mordazas y una superficie cilíndrica, vistas en la sección, no están distribuidas exactamente iguales sobre 360º. Para evitar presiones locales demasiado altas y, por lo tanto, el daño de la superficie cilíndrica de la pieza de trabajo, cuando se plantean altos requerimientos de precisión es cada vez más habitual configurar las superficies de trabajo de las mordazas como piezas superficiales cilíndricas cóncavas, complementarias de la superficie de la pieza de trabajo convexa, prácticamente con el mismo radio. De esta manera debe evitarse que las mordazas presionen con fuerza excesiva sobre piezas superficiales muy pequeñas de la pieza de trabajo.

Sin embargo, en este caso se plantea el problema siguiente. Cuando el plano medio de una mordaza, que se encuentra en paralelo con el eje de giro, debido a una excentricidad existente, elude el eje de giro, es decir, pasa por delante cerca de éste, la superficie de trabajo cóncava de la mordaza no se apoya a tope sobre la superficie cilíndrica convexa correspondiente, sino que se encuentra, durante el apriete de la pinza, en primer lugar con un canto lateral, paralelo al eje de la mordaza, sobre el cilindro, porque debido a la excentricidad, visto en la sección (transversalmente al eje de giro), se forma un espacio intermedio, que termina en una arista viva, entre la superficie de trabajo y el cilindro. Esto tiene como consecuencia una presión asimétrica localmente alta en el lugar del canto sobre la pieza de trabajo y una flexión considerable de esta pieza de trabajo, durante la mecanización de alta precisión, entre las puntas. Además, de esta manera pueden aparecer puntos de presión no deseados sobre la superficie de la pieza de trabajo.

Una posibilidad para evitar una asiento inclinado de este tipo de las mordazas sobre la pieza de trabajo así como la flexión provocada con ello y, dado el caso, un daño de la misma, consiste en la utilización de las llamadas mordazas pendulares. Éstas son mordazas adicionales, que están colocadas sobre las mordazas de base del mandril y se pueden articular con relación a éstas alrededor de un eje paralelo al eje del mandril. Esto se puede conseguir, por ejemplo, porque cada mordaza adicional está montada por medio de un bulón paralelo al eje del mandril sobre la mordaza de base correspondiente de tal forma que se puede articular alrededor del eje del bulón. Las mordazas pendulares se emplean en primer lugar cuando la presión de las mordazas ejercida sobre la pieza de trabajo debe distribuirse de la manera más uniforme posible sobre la periferia de la pieza de trabajo, especialmente cuando esta última tiene una pared fina. Entonces se utilizan de una manera preferida mordazas pendulares, que se extienden tangencialmente en una medida bastante amplia a ambos lados de su bulón y cuya superficie dirigida hacia la pieza de trabajo está formada de tal modo que solamente descansa sobre la pieza de trabajo cerca de sus extremos, es decir, en dos lugares en direcciones opuestas, alejados en la mayor medida posible del bulón de articulación. De esta manera se distribuye mejor la presión ejercida sobre esta pieza de trabajo sobre la periferia de la pieza de trabajo, en el caso de un mandril de tres mordazas, por ejemplo, sobre seis lugares en lugar de tres, como en el caso de la utilización de mordazas rígidas. El movimiento de articulación distribuye la presión de cada mordaza de base de una manera automática uniformemente sobre ambos lugares de apoyo de la mordaza pendular fijada en ésta.

Por decirlo así, como efecto secundario las mordazas pendulares corrigen también una alineación eventualmente errónea de las mordazas de base en la dirección del eje de giro del mandril, alineándose cada mordaza pendular cuando se asienta sobre la pieza de trabajo de una manera automática de acuerdo con su superficie, lo que impide un asiento inclinado de las mordazas sobre la pieza de trabajo. Pero esto implica diferentes inconvenientes en los mandriles, que están previstos para un trabajo extremadamente preciso. Tales mandriles están cerrados herméticamente en una medida creciente hacia el exterior y están llenos de aceite, de manera que los cojinetes de sus partes móviles recíprocas están incluidos en un baño de aceite protegido contra contaminación por polvo abrasivo o similar, lo que reduce su desgaste a un mínimo que casi no se puede medir. Las mordazas pendulares y los cojinetes de sus bulones de articulación se encuentran necesariamente fuera de la obturación del mandril. Por lo tanto, los cojinetes de los bulones de articulación no protegidos de esta manera, que no funcionan en un año de aceite, están expuestos a una contaminación elevada, lo que tiene como consecuencia un desgaste elevado y un juego prematuro. Además, las mordazas pendulares y sus cojinetes representan piezas móviles adicionales, insertadas entre las mordazas de base y la pieza de trabajo, cuya presencia es perjudicial para la precisión del mandril. Por último, las dimensiones relativamente pequeñas, condicionadas por el diseño, de los bulones de articulación dificultan la consecución de un desgaste mínimo. Por éstos y otros motivos, las mordazas pendulares no se han implantado como medios contra un asiento inclinado de las mordazas sobre la pieza de trabajo en mandriles de alta precisión.

El documento DE 41 32 841 A1 publica un mandril de sujeción, en el que el centro de sujeción se puede distribuir radialmente. A tal fin, el mandril de sujeción presenta una mordaza fija desplazable radialmente, que no realiza ninguna carrera de sujeción, y dos mordazas de sujeción, que realizan la carrera de sujeción. Las dos mordazas de sujeción están alojadas de forma desplazable radialmente en elementos de guía, que están alojados en el cuerpo de base del mandril de sujeción de forma giratoria alrededor de ejes de articulación que se extienden paralelos al eje del mandril de sujeción. La articulación se realiza en este caso a través de un mecanismo en función de la posición radial de la mordaza fija.

Un objetivo de la invención es crear un mandril de sujeción, que evita un asiento inclinado de las mordazas sobre una pieza de trabajo empotrada excéntricamente y a tal fin utiliza piezas, cuyos cojinetes se pueden alojar en el espacio interior de un mandril cerrado herméticamente, en el que los cojinetes de articulación necesarios se pueden dimensionar especialmente grandes y, por lo tanto, de poco desgaste. Además, el mandril de acuerdo con la invención presenta relativamente pocas piezas, donde sus mordazas básicas asumen al mismo tiempo dos cometidos, a saber, tanto la sujeción de la pieza de trabajo a través de un movimiento radial como también la articulación necesaria para evitar la inclinación.

Con esta finalidad, la invención se define como se describe en la reivindicación principal. A continuación se explica en detalle con la ayuda de la descripción de un ejemplo de realización y con la ayuda del dibujo.

En este caso:

La figura 1 muestra una sección esquemática a través de un mandril conocido y una pieza de trabajo empotrada en el mismo, transversalmente a sus ejes.

La figura 2 muestra una sección similar a la figura 1 a través de una forma de realización de la invención, en el instante en el que durante el cierre del mandril, sus mordazas inciden sobre la pieza de trabajo.

La figura 3 muestra una sección parcial, muy esquemática y no representada a escala a lo largo de la línea III-III de la figura 2, y

La figura 4 muestra la misma sección que en la figura 2, pero después del cierre completo del mandril.

La figura 1 muestra una sección muy esquemática perpendicularmente al eje de giro de un mandril de sujeción 1 conocido de una máquina herramienta, transversalmente a través de las mordazas 2a, 2b, 2c y a través de una pieza de trabajo 3 a mecanizar. Éste está empotrado en la máquina herramienta (no mostrada) entre puntas (tampoco mostradas), cuyo eje se encuentra esencialmente perpendicular al plano del dibujo y lo atraviesa en un punto S, mientras que el eje de giro del mandril a traviesa el plano del dibujo en el punto de intersección F de los planos medios de las mordazas 2. Para mayor claridad, se ha representado muy ampliada la excentricidad condicionada por errores inevitables, es decir, la distancia E entre los ejes S y F esencialmente paralelos. Por el mismo motivo, se han omitido las mordazas supletorias colocadas habitualmente sobre las mordazas de base, que están previstas la mayoría de las veces para agarrar con cuidado la pieza de trabajo. Con esta finalidad, presentan, en general, una forma adaptada al lugar de agarre de la pieza de trabajo. En el ejemplo mostrado, sin embargo, la pieza de trabajo es agarrada, para mayor simplicidad, directamente por las mordazas 2, cuyas superficies de trabajo 4a, 4b, 4c están configuradas, por lo tanto, de forma cilíndrica hueca, con un radio que es prácticamente igual al radio de la superficie cilíndrica de agarre de la pieza de trabajo 3.

Las mordazas 2 marchan en guías 6a, 6b, 6c del mandril de sujeción 1, que están dispuestas en una división de 120º alrededor de su eje de giro F, y pueden ser presionadas de una manera conocida a través de un accionamiento mecánica o hidráulico (no mostrado) radialmente contra la pieza de trabajo 3, por ejemplo para prestar a ésta un par de torsión que es suficiente para la rectificación. Puesto que la pieza de trabajo empotrada entre puntas (no mostradas) gira alrededor de su eje S, que no coincide, debido a errores inevitables, con el eje del mandril F, el accionamiento de las mordazas está configurado de tal forma que a pesar de la distancia entre S y F, todas las mordazas ejercen la misma presión sobre la pieza de trabajo 3, aunque en el momento de su contacto con ésta estén extendidas en diferente extensión, como se deduce a partir de la figura. Esta diferencia está resaltada para las mordazas 2b y 2c por medio de arcos circulares K de trazos, concéntricos a F.

A pesar de esta compensación automática conocida, el estado mostrado en la figura 1 es poco satisfactorio, porque debido a la excentricidad existente, cada amordaza descansa solamente a lo largo de un canto L, visible como punto en la figura, sobre la pieza de trabajo. En el caso de un par de torsión grande necesario, por ejemplo, para una llamada rectificación no redonda (especialmente de árboles de cigüeñal) y la presión de las mordazas correspondientemente alta para su transmisión sobre la pieza de trabajo, ésta se puede dañar de esta manera en los puntos de presión L o incluso se puede doblar en una medida apreciable entre sus puntos de empotramiento en las puntas. En el caso de presiones de apriete altas, esto perjudica en una medida inadmisible la precisión del rectificado.

La figura 2 muestra una sección esquemática, similar a la figura 1, a través de un mandril de sujeción de acuerdo con la invención en el momento en que sus mordazas inciden durante el cierre sobre la pieza de trabajo, donde las partes correspondientes los mismos signos de referencia o incrementados en 10.

El mandril de sujeción 1 presenta, como en la figura 1, tres guías radiales 16a, 16b, 16c dispuestas en división de 120º, pero las mordazas están guiadas de otra manera, presentando cada mordaza 12a, 12b, 2c una parte gruesa 15a, 15b, 15c designada como corredera, que se puede desliar en la guía correspondiente. En la forma de realización más sencilla mostrada aquí, las superficies laterales 17a, 17b, 17c de la corredera están configuradas de forma cilíndrica, con un eje Z paralelo al eje del mandril F, de tal manera que las correderas 15 y con ella las mordazas 2 se deslizan libres de juego sin basculamiento en las guías 16 y, además, se pueden articular en una cierta medida en el eje Z. Pero las superficies de trabajo 17 de las correderas pueden estar configuradas también de otra manera, por ejemplo en forma de tonel. En cada mordaza 2 está prevista una abertura o una bolsa 18a, 18b, 18c, en la que encaja en cada caso un linguete 18a, 19b 19c móvil radialmente a través del accionamiento de las mordazas (no mostrado). La superficie 21a, 21b, 21c de cada abertura, que apunta radialmente hacia, es una parte de la superficie cilíndrica hueca, cuyo eje coincide con el eje de articulación Z de la corredera 15 correspondiente, lo se ha resaltado para la corredera "a" a través del radio R. En el caso de que el linguete 19 se mueva radialmente de forma lineal, una superficie del linguete 19, que apunta radialmente hacia dentro, forma una superficie cilíndrica convexa, complementaria de la superficie 21, aproximadamente con el mismo radio. En el caso de que (como se deduce a partir de la figura 3), el linguete 19 se encuentre en un extremo de una palanca angular y, por lo tanto, se mueva sólo aproximadamente radial a lo largo de un arco de círculo corto, una superficie que apunta radialmente hacia dentro presenta con preferencia, además, una curvatura alrededor de un eje paralelo al eje de la palanca y, por lo tanto, tiene forma de tonel. Cuando una mordaza 2 es presionada radialmente hacia dentro a través de la presión del linguete 19 correspondiente, se puede articular, por lo tanto, en la medida de un cierto ángulo, alrededor del eje Z de su corredera, sin que se modifique su posición radial. La medida de la articulación posible depende en primer lugar de la diferencia entre la anchura del linguete 19 y la de la abertura o bolsa 18, que lo recibe.

La articulación máxima posible no excede en cualquier caso algunos grados y, por lo tanto, no perjudica la aplicación general de juntas de obturación elásticas (no mostradas) entre cada mordaza y el cuerpo del mandril. Tales juntas de obturación están previstas con frecuencia, en el caso de mandriles de alta precisión, para proteger el mecanismo interior del mandril contra el polvo abrasivo y similar y para mantener de esta manera su exactitud durante un periodo de tiempo prolongado. Para requerimientos extremos, el interior del mandril puede estar relleno también con un baño de aceite, que necesita juntas de obturación para impedir una descarga.

Pueden estar previstos órganos de recuperación elásticos, para recuperar las mordazas 12 a una división de 120º, es decir, a la posición de reposo mostrada en la figura 2 en paralelo a sus guías, cuando no actúan sobre ellas fuerzas tangenciales esenciales. Esta posibilidad se indica de una manera puramente esquemática y para mayor simplicidad solamente en la mordaza izquierda superior de la figura 2, por medio de dos elementos elásticos 22, que en ausencia de otras cargas, mantienen el eje longitudinal de la mordaza aproximadamente en paralelo a su guía. En el caso de una excentricidad E suficientemente pequeña, esto no es, en efecto, necesario, pero aquí se adopta para recibir una posición básica mostrada en la figura 2 y que simplifica la descripción del modo de funcionamiento.

La figura 3 muestra una sección parcial, esquemática a lo largo de la línea III-III de la figura 2, en la que la pieza de trabajo ha sido descargada, pero se indica su posición aproximada a través del eje F. Puesto que la disposición representada para cada una de las tres mordazas de la figura 2 sucede una vez, se han omitido aquí las designaciones adicionales a, b, c. Una flecha doble P muestra el movimiento de la mordaza 12, necesario para el agarre de la pieza de trabajo no mostrada, en la dirección del eje del mandril F, donde la corredera 15 se desliza en la guía 16 (no mostrada en la figura 3). El movimiento de la mordaza 12 en la dirección de la doble flecha P se realiza por medio de una palanca angular 24, que se puede articular alrededor de un eje H y cuyo linguete 19 encaja en la bolsa 18 de la mordaza 12. El eje H está perpendicularmente al eje F del mandril y la articulación de la palanca angular 24 se realiza por medio de un pistón 25 accionado hidráulicamente (de una manera no mostrada), que se mueve, como se muestra por medio de la flecha doble Q, en paralelo al eje del mandril. Para conseguir durante la articulación de la palanca 24 una transmisión perfecta de la fuerza desde el linguete 19 sobre la mordaza 12, el linguete presenta un redondeo de sus superficies de trabajo, que es visible en la sección de la figura 3. Junto con el redondeo del linguete visible en la figura 2 en un plano perpendicular a la figura 3, esto presta al linguete 19 una forma similar a un tonel al menos sobre una parte de su periferia.

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Se supone ahora que se apriete un mandril de acuerdo con la invención, cuyas mordazas se encuentran en posición de reposo, de una manera lenta sobre una pieza de trabajo empotrada de forma excéntrica. Cuando las mordazas inciden sobre ésta, el dispositivo conocido (no mostrado) de compensación radial del accionamiento de las mordazas compensa el avance de las mordazas individuales, de tal forma que todas entran en contacto con la pieza de trabajo, antes de que se ejerza una presión esencial e igual para todas las mordazas sobre la pieza de trabajo. En este instante, se alcanza la posición mostrada en la figura 2 (y similar a la figura 1), en la que las mordazas no se apoyan a tope sobre la superficie de la pieza de trabajo, sino que contactan con ésta a lo largo de los cantos L de las mordazas. En el caso de un aumento adicional de la fuerza de empotramiento, es decir, bajo presión creciente de los linguetes 19 dirigida radialmente hacia dentro, unas fuerzas tangenciales, debidas al asiento inclinado de las mordazas sobre la pieza de trabajo, actúan sobre las mordazas, y las articulan alrededor de su eje Z respectivo hasta que las superficies de trabajo de todas las mordazas 12 se apoyan a tope sobre la pieza de trabajo 3, como se muestra en la figura 4. La pieza de trabajo es agarrada de esta manera con cuidado, y no se daña tampoco en el caso de alta presión de apoyo de las mordazas, aunque las fuerzas ejercidas a través de los linguetes 19 se corten en el eje del mandril F, y no en el eje de giro S de la pieza de trabajo 3 alejado del mismo en la medida de la excentricidad E.

Hay que indicar todavía expresamente que la posición de las aberturas o bolsas 18 (y por lo tanto, de los linguetes 9) seleccionada en el ejemplo de realización descrito aquí entre el eje de articulación Z y la superficie de agarre de la mordaza respectiva es arbitraria. De acuerdo con la estructura mecánica del mandril puede ser más favorable otra posición, por ejemplo en la que el linguete y la abertura estén más alejados radialmente del eje del mandril que el eje de articulación Z, o incluso en la que el linguete se encuentre en el lugar de este giro de articulación, con lo que los linguetes no ejercen, tampoco en el caso de una presión de cierre grande del mandril, ningún par de freno considerable sobre la articulación de la mordaza. Aunque solamente se ha descrito una forma de realización del mandril de acuerdo con la invención con tres mordazas, porque ésta es la disposición más habitual con mucho, de la misma manera se pueden realizar mandriles de acuerdo con la invención con otro número de mordazas, especialmente dos o cuatro mordazas. De la misma manera, las partes designadas aquí de forma continua como "mordazas" pueden ser, por decirlo así, mordazas de base, que no agarran directamente la herramienta, sino que están previstas para llevar mordazas supletorias adaptadas a su forma.

Claims (8)

1. Mandril de sujeción (1) para una máquina herramienta, que comprende mordazas (12a, 12b, 12c) con dos grados de libertad con respecto al cuerpo de base del mandril (1), un grado de libertad de translación, dirigido esencialmente radial al eje de giro (F) del mandril (1), y un grado de libertad de rotación limitado alrededor de un eje de articulación (Z) esencialmente paralelo al eje de giro (F) del mandril, que sigue los movimientos radiales de la mordaza (12a, 12b, 12c) respectiva, caracterizado porque cada mordaza (12a, 12b, 12c) presenta una corredera (15a, 15b, 15c) al menos parcialmente simétrica rotativa alrededor del eje de articulación (Z) y que se desliza en una guía radial (16a, 16b, 16c) del mandril (1).

2. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada mordaza (12a, 12b, 12c) presenta una superficie de apoyo (21a, 21b, 21c) que se aleja desde el eje de rotación (F) del mandril (1), al menos en parte simétrica rotatoria alrededor del eje de articulación (Z), para absorber la presión de un órgano de transmisión (19a, 19b, 19c), que transmite la fuerza de sujeción del mandril (1) sobre la mordaza (12a, 12b, 12c).

3. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la superficie de apoyo (21a, 21b 21c) se forma por una pared de una bolsa (18a, 18b, 18c) recortada de la mordaza (12a, 12b, 1c).

4. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el órgano de transmisión (19a, 19b, 19c) es una palanca (24), que se puede articular alrededor de un eje (H) que está fuera de la mordaza (12a, 12b, 12c), perpendicularmente al eje de giro (F) del mandril (1) así como al movimiento radial de la mordaza, y cuya superficie que actúa sobre la mordaza es al menos parcialmente simétrica rotatoria alrededor del eje.

5. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la superficie de apoyo (21a, 21b, 21c) se encuentra entre la superficie de agarre de la mordaza, que lleva la pieza de trabajo o una de sus mordazas supletorias que agarran esta pieza, y el eje de rotación (Z).

6. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la superficie de apoyo (21a, 21b, 21c) está más alejada de la superficie de agarre de la mordaza (12a, 12b, 12c), que lleva la pieza de trabajo o una mordaza supletoria que agarra esta pieza, que el eje de articulación (Z).

7. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un dispositivo de recuperación elástico, para recuperar las mordazas (12a, 12b, 12c), cuando el mandril (1) está abierto, a una posición, en la que apuntan sobre el eje de rotación (F) del mandril (1).

8. Mandril de sujeción (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grado de libertad de rotación está limitado a menos de 5º.