Leitfaden für Schruppbearbeitungen: Schruppen vs. Schlichten - Einrichten von Schaftfräsern

Bei Schruppschnitten wird Schüttgut schnell abgetragen - doch viele Betriebe kämpfen noch immer mit Ratterern, schnellem Werkzeugverschleiß und uneinheitlichen Toleranzen. Dieses Handbuch löst dieses Problem, indem es bewährte Bearbeitungsdaten mit modernen Werkzeugwegen kombiniert. Sie erhalten schnelle Angaben, MRR- und Oberflächen-Benchmarks, erstklassige Werkzeugstrategien, Vorschub-/Geschwindigkeitsrahmen, reale Fallstudien aus der Industrie und eine störungssichere Fehlerbehebung. Wir bieten Ihnen zunächst knackige Antworten und Berechnungen, gehen dann auf Parameter, Maschinendynamik und Qualitätskontrollen ein und schließen mit Vorlagen und FAQs ab. Ob Sie CNC-DrehenDieses Handbuch bietet Ihnen schrittweise Methoden zur Steigerung des Durchsatzes bei gleichzeitigem Schutz von Werkzeugen, Spindeln und der Oberflächenintegrität.

Wenn Sie sich schon einmal gefragt haben: "Was ist Schruppen?", "Was ist der Unterschied zwischen einer Schrupp- und einer Schlichtbearbeitung?" oder wie man das richtige Werkzeug für die jeweilige Phase auswählt, sind Sie hier genau richtig. Kurz gesagt ist das Schruppen die Phase mit hohem Vorschub und großer Tiefe, in der schnell große Mengen an Material abgetragen werden, während das Schlichten die leichte, präzise Phase ist, in der die endgültige Größe, Form und Oberfläche entsteht. Die Kunst besteht darin, beide Verfahren zu kombinieren, indem man sowohl Schrupp- als auch Schlichtfräser mit den richtigen CNC-Strategien, Schnittparametern und Spannmitteln einsetzt. Wenn Sie den entscheidenden Unterschied zwischen Schruppen und Schlichten verstehen - insbesondere bei der konventionellen Bearbeitung im Vergleich zu modernen adaptiven Werkzeugwegen -, können Sie schnell vorankommen, ohne die Werkzeuge zu beschädigen oder die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen.

Schruppschnitte: Kurzdefinitionen und Spezifikationen

Was ist ein Schruppschnitt?

Ein Schruppschnitt ist die Phase der Grobzerspanung in einem Bearbeitungsprozess (ISO, 2021). Ziel ist es, so schnell wie möglich so viel Material wie möglich abzutragen, wobei ein gleichmäßiges Restmaterial für den nächsten Durchgang verbleibt. In dieser Phase werden ein höherer Vorschub und eine größere Schnitttiefe bei mittlerer bis hoher Schnittgeschwindigkeit verwendet, wobei starke Schneidwerkzeuge wie Schruppfräser oder Wendeplattenfräser zum Einsatz kommen. Das Schruppen zeigt sich beim Drehen, CNC-FräsenBohren und Taschenfräsen. Denken Sie beim Schruppen an die Formgebung des Teils in der Nähe der Größe und dann an das Schlichten, um Genauigkeit und Glätte zu erreichen. Schruppstrategien haben einen großen Einfluss auf Effizienz und Werkzeugstandzeit in der modernen CNC-Bearbeitung.

Unterschied zwischen Schruppen und Schlichten

Im Folgenden finden Sie einen kurzen Vergleich, den Sie bei der Wahl Ihres Ansatzes heranziehen können.

Typische Ergebnisse und Risiken

Beim Roughing geht es um Geschwindigkeit, aber es bringt auch die höchsten Belastungen mit sich.

• Vorteile: höchste Materialabtragsrate (MRR) und große Zykluszeiten.
• Nachteile: höhere Schnittkräfte und Hitze, größere Gefahr von Ratterern, schnellerer Werkzeugverschleiß, wenn die Parameter oder Werkzeugwege nicht stimmen.

Kurz gesagt: Beim Schruppen gewinnen Sie Zeit, beim Schlichten gewinnen Sie Maßhaltigkeit und Oberflächengüte. Beides ist wichtig.

Wann man sich für adaptives Schruppen entscheidet

Adaptives oder dynamisches Fräsen zeichnet sich aus, wenn:

• Die Taschen sind tief oder komplex und der Werkzeugeinsatz variiert.
• Der Werkzeugüberstand ist lang oder die Steifigkeit der Maschine/des Teils ist begrenzt.
• Späne sind schwer zu entfernen, besonders in Schlitzen oder engen Hohlräumen.
• Sie schneiden hitzeempfindliche Legierungen (Edelstahl, Titan, Nickelbasis) und benötigen eine gleichmäßige Spandicke.

Wenn Sie beim herkömmlichen Schruppen Rattererscheinungen, thermische Risse oder Spanpackungen feststellen, können adaptive Werkzeugwege mit kontrolliertem radialen Eingriff den Schnitt stabilisieren und die Werkzeugstandzeit verlängern.

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Entscheidende Metriken: MRR, Toleranzen, Oberflächenrauhigkeit

Rechner für die Materialabtragsrate (MRR)

Um Schruppschnitte zu planen, brauchen Sie eine verlässliche Methode, um abzuschätzen, wie schnell Sie das Metall bewegen.

Für das Fräsen lautet eine praktische Formel:

• MRR (mm³/min) = ap × ae × fz × z × n × 1000
• Dabei ist ap = axiale Tiefe (mm), ae = radiale Breite (mm), fz = Vorschub pro Zahn (mm/Zahn), z = Nuten (Anzahl der Zähne), n = Spindeldrehzahl (U/min).
• In cm³/min, durch 1000 teilen.

Zum Drehen:

• MRR (mm³/min) = 1000 × f × ap × V
• Dabei ist f = Vorschub pro Umdrehung (mm/U), ap = Radial-DoC (mm), V = Schnittgeschwindigkeit am Durchmesser (mm/min).

Schnelles Beispiel (Fräsen): ap 8 mm, ae 4 mm, fz 0,06 mm/Zahn, 4 Schneiden, 6000 U/min.

• MRR = 8 × 4 × 0,06 × 4 × 6000 = 46.080 mm³/min = 46,08 cm³/min.
• Verwenden Sie die MRR zusammen mit der Spindellast, um zu beurteilen, "wie viel noch im Tank ist". Wenn die Spindellast bei geringen MRR-Zuwächsen in die Höhe schnellt, sind Sie am Limit.

Benchmark-Bereiche, auf die Sie sich verlassen können

Anhand dieser Basisstatistiken können Sie einen Roughing-Plan auf seine Richtigkeit überprüfen.

Die genauen Werte hängen von Teil, Fräser, Maschine, Material und Messverfahren ab (siehe ISO 4287 für Oberflächenbegriffe). Verwenden Sie sie als Ausgangspunkt und passen Sie sie dann an.

Auswirkungen auf Zykluszeit und Werkzeugstandzeit

Geschäfte berichten oft:

• Adaptives/dynamisches Schruppen reduziert die Zykluszeit bei komplexen 3D-Taschen um etwa 20-30% im Vergleich zum konventionellen Zick-Zack- oder Vollschlitzen nach NTRS.
• Bei kontrollierter Spandicke und gleichmäßigem Eingriff kann sich die Standzeit um 25% oder mehr erhöhen. Einige berichten von 50% mehr Standzeit unter stabilen Bedingungen.

Der Schlüssel dazu sind konstante Belastung, kühlere Chips und minimale Reibung.

Qualitätsmetriken und Inspektionsplan

Das Schruppen bereitet die Endbearbeitung vor. Fügen Sie einfache Kontrollen hinzu, damit nichts verrutscht:

• Sondierung während des Prozesses, um den Bestand an kritischen Wänden und Böden zu bestätigen.
• Kontrolle der Oberflächenrauhigkeit vor der Endbearbeitung, um sicherzustellen, dass die Oberfläche für einen Feinschliff bereit ist.
• SPC für Offsets und Größentrends, um Werkzeugverschleiß oder Maßabweichungen frühzeitig zu erkennen.
• Spindelbelastung und Temperaturentwicklung bei langen Schruppzyklen.

Werkzeuge und Werkzeugwege: adaptives Räumen, trochoidales Fräsen

Werkzeugauswahl nach Material und Geometrie

Stimmen Sie das Schneidwerkzeug auf Ihr Material und Ihre Bearbeitungsstrategie ab. Verwenden Sie die nachstehende Tabelle nur als Kurzanleitung; überprüfen Sie immer die Daten Ihres Werkzeugherstellers und die Grenzen Ihrer Maschine.

Im Zweifelsfall sollten Sie sich für ein Werkzeug mit variabler Spirale/Nut entscheiden, um Vibrationen zu vermeiden, und für eine Beschichtung, die den Wärme- und Spanfluss für Ihr Material unterstützt.

CAM-Strategien, die die Lebensdauer der Werkzeuge verlängern

Schruppwerkzeugwege, die die Spandicke konstant halten, schützen Kanten und Spindeln:

• Adaptives Räum-/Dynamikfräsen: niedrige WOC (8-20% D), hohe axiale DoC, konstante Spanbelastung. Ideal für tiefe Kavitäten und Stähle.
• Trochoidales Fräsen: Schleifeneinsätze erhalten den Eingriff und reduzieren die Hitze, hilfreich bei harten Materialien oder wenn Schlitze erforderlich sind.
• Schälfräsen und schraubenförmige Rampen: sanfte Einstiege, weniger Stoßbelastungen, bessere Spankontrolle.

Andererseits ist das Schlitzen über die gesamte Breite bei aggressiven Vorschubgeschwindigkeiten in vielen Fällen der schnellste Weg zu Rissen und ausgeschlagenen Kanten. Verwenden Sie es nur, wenn Steifigkeit und Spanabfuhr hervorragend sind.

Einschaltkontrolle und Späneabsaugung

Beim Schruppen sind Hitze und Späne Ihre beiden Hauptfeinde. Beherrschen Sie beide:

• Cap radial WOC um 8-20% für dynamische Pfade, um die Wärme zu verwalten und eine konstante Chipdicke zu halten.
• Bevorzugen Sie größere axiale Schritte innerhalb sicherer Grenzen, da die axiale Tiefe die Spindel auf modernen Maschinen gleichmäßiger belastet.
• Verwenden Sie schraubenförmige Rampen, um in Hohlräume einzudringen und einen reibungslosen Eingriff zu gewährleisten.
• Achten Sie auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Abwärts- und Aufwärtsbewegung, um die MRR an Ihre Spindelleistung und den Kühlmittelfluss anzupassen.
• Planen Sie den Spanaustritt: Richten Sie die Spannuten auf den freien Raum aus, fügen Sie dort, wo sich die Späne stauen können, Werkzeugweganhebungen hinzu, und verwenden Sie in tiefen Taschen Druckluft oder Kühlmittel durch das Werkzeug.

Werkstückabhängige Auswahlmöglichkeiten

Ihr Teil sollte Ihnen sagen, wie Sie vorgehen müssen:

• Dünne Wände, Rippen und Böden: Vermeiden Sie hohe Radiallasten. Verwenden Sie mehrere leichte Durchgänge (Restschruppen) und lassen Sie ein gleichmäßiges Material für den letzten Durchgang.
• Guss- und Schmiedeteile: Der Bestand variiert. Verwenden Sie aktualisierte Bestandsmodelle und eine prozessbegleitende Abtastung, um die Bahnen anzupassen. Dies verhindert hartes Reiben oder überraschende Kollisionen.

Schnittparameter und Optimierung

Rahmen für die Schnitttiefe (DoC) und die Schnittbreite (WOC)

Eine einfache Regel für dynamisches Fräsen lautet: Axial tief und radial leicht fräsen. Hier ist ein praktischer Weg, um eine Basislinie zu setzen:

• Axialer DoC: 1,0-2,5× Durchmesser für stabile Aufstellungen in Stahl (weniger bei kleinen Werkzeugen oder langen Überhängen).
• Radiale WOC: 8-20% des Durchmessers für adaptive/trochoidale; 40-70% für konventionelles Schruppen in sehr starren Aufbauten.

Bestätigen Sie dann mit der Spindellast. Wenn die Last über Ihr Ziel hinausgeht, senken Sie zuerst die WOC; behalten Sie DoC bei, wenn möglich, um die Werkzeugstandzeit und die MRR zu erhalten.

Abstimmung von Vorschub und Oberflächengeschwindigkeit (Vf, SFM)

Verwenden Sie die Tabelle Ihres Werkzeugherstellers als ersten Anhaltspunkt und passen Sie sie dann an Ihre Maschine und Ihr Werkstück an. Übliche Startfenster für Hartmetallwerkzeuge:

• Aluminium: 1000-3000 SFM (300-900 m/min) mit 0,05-0,15 mm/Zahn.
• Kohlenstoff-/Legierungsstähle: 400-650 SFM (120-200 m/min) mit 0,03-0,08 mm/Zahn.
• Rostfreie Stähle: 250-500 SFM (75-150 m/min) mit 0,02-0,06 mm/Zahn.
• Titan: 160-300 SFM (50-90 m/min) mit 0,02-0,06 mm/Zahn.

Beginnen Sie am unteren Ende, wenn die Maschine oder die Aufspannung weniger steif ist, Ihr Werkzeug einen langen Überhang hat oder Sie erste Anzeichen von Rattergeräuschen hören. Erhöhen Sie den Vorschub pro Zahn, bevor Sie die SFM erhöhen, wenn Sie mehr MRR benötigen, aber Hitze vermeiden wollen. Reduzieren Sie bei Schlichtschnitten DoC/WOC und konzentrieren Sie sich auf einen stabilen, gleichmäßigen Span und senken Sie SFM, um die Oberflächengüte zu verbessern.

Spandicke und Spanausdünnung

Wenn die radiale WOC klein ist (z.B. 8-20% des Durchmessers), ist die tatsächliche maximale Spandicke geringer als der programmierte Vorschub pro Zahn. Das führt zu Reibung und Hitze, wenn man es nicht korrigiert.

Ein praktischer Ansatz:

• Berechnen Sie den Eingriffswinkel θ aus der radialen WOC und dem Werkzeugdurchmesser (Ihr CAM zeigt dies oft an).
• Die maximale Spandicke h_max ist ungefähr h_max ≈ fz × sin(θ).
• Wenn Sie eine Zielspandicke h_target (von Ihrem Werkzeughersteller) benötigen, setzen Sie fz ≈ h_target / sin(θ).

Dies ist die Einstellung "Spanausdünnung". Sie ermöglicht es Ihnen, auch bei kleinen radialen WOC einen gesunden Span zu erhalten. Das Ergebnis ist ein kühlerer Schnitt und eine längere Lebensdauer des Werkzeugs.

Schleife zur Parameteroptimierung

Behandeln Sie das Schruppen wie einen kurzen Test- und Abstimmungszyklus:

• Legen Sie eine konservative Basislinie aus Diagrammen fest.
• Führen Sie einen Testschnitt durch und protokollieren Sie Spindellast, Geräusch und Spänefarbe/-form.
• Prüfen Sie die Werkstücktemperatur, die Grate und die Rauheit des ersten Durchgangs.
• Stellen Sie eine Variable nach der anderen ein: zuerst WOC, dann Vorschub pro Zahn, dann SFM.
• Schließen Sie in einem sicheren Fenster ab und vermerken Sie dies auf Ihrem Einrichtungsblatt.

Achten Sie auf einen stabilen Klang und eine stabile Spanform sowie auf eine Spindellast, die Spielraum für harte Stellen oder Spanbildung lässt.

Maschine, Werkstückaufnahme, Kühlmittel und Spänemanagement

Steifigkeitsstapel: Maschine, Halter, Werkzeug, Teil

Jede Schrupparbeit ruht auf einer Kette von Steifigkeiten. Stärken Sie zuerst die schwachen Glieder:

• Halten Sie den Überstand kurz. Selbst eine Reduzierung des Überhangs um 10% kann das Klappern verhindern.
• Verwenden Sie nach Möglichkeit ausgewogene, starre Halterungen (hydraulisch oder mit Schrumpfschlauch) (ISO, 2005).
• Überprüfen Sie in Ihrem Wartungsplan Spindellager, Werkzeugrundlauf und Achsspiel.
• Unterstützen Sie das Teil mit soliden Vorrichtungen; fügen Sie Stützen unter dünnen Böden hinzu; klemmen Sie in der Nähe des Schnitts.

Der springende Punkt ist einfach: Mit einem starren Setup können Sie tief und schnell mit weniger Risiko laufen.

Kühlmittel- und Schmiermittelstrategie

Kühlung und Spanfluss sind ebenso wichtig wie die Geschwindigkeit:

• Flutkühlmittel ist für Aluminium und unlegierte Stähle geeignet, wenn die Späne abfließen können.
• Das Kühlmittel für Durchgangswerkzeuge eignet sich hervorragend für tiefe Taschen oder lange Werkzeuge, in denen sich Späne festsetzen können.
• MMS kann bei bestimmten Werkstoffen und trockenfähigen Werkzeugen funktionieren, aber stellen Sie es auf die Spanabfuhr ein.
• Achten Sie auf Kühlmitteldruck, -richtung und -filterung. Verschmutztes Kühlmittel verkürzt die Lebensdauer des Werkzeugs und trübt Ihre Sicht.

Späneentsorgung und Sicherheit

Späne, die im Schnitt zurückbleiben, zerkratzen die Oberfläche und erhitzen Ihr Werkzeug:

• Verwenden Sie Späneförderer, Luft- oder Kühlmittelstrahlen und kurze Verweilzeiten, um Taschen zu reinigen.
• Programmieren Sie "Späne-Entleerungsrunden" mit hohem Vorschub nach langen Abwärtsbewegungen.
• Achten Sie auf Farbe und Form der Späne; blaue, staubartige Späne im Stahl deuten auf zu viel Hitze oder Reibung hin.
• Fügen Sie Alarme oder Bedienerkontrollen an Stellen ein, an denen sich die Späne stauen (tiefe Schlitze, Ecken, Hinterschneidungen).

Kontrolle von Vibrationen und Rütteln

Rattern beeinträchtigt die Oberflächengüte und die Standzeit der Werkzeuge. Bekämpfen Sie es:

• Verstehen Sie die Stabilitätszonen: Eine kleine Drehzahländerung kann Sie in eine stabile Zone bringen. Versuchen Sie ±10-20% RPM.
• Ändern Sie die Einschaltung (WOC/DoC), um die Erregungsfrequenz zu ändern.
• Verwenden Sie Werkzeuge mit variabler Steigung oder Helix, wenn der Schnitt zum Singen neigt.
• Kürzen Sie, wenn möglich, die Werkzeug- oder Schalterhalter.
• Passen Sie die Einstiegsstrategien an - schraubenförmige oder rampenförmige Bewegungen reduzieren Stöße.

Industrieanwendungen und Fallstudien

Beispiele aus der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt

Bei einem großvolumigen Auftrag in der Automobilindustrie werden die Taschen des Motorblocks aufgeraut. Die Umstellung von Schritten über die gesamte Breite auf konstante Spanleitstufen verkürzte die Zykluszeit um etwa 30%. Die Standzeit stieg bei gleicher Werkzeugsorte um etwa 25%. Der Gewinn ergab sich aus einem gleichmäßigen Eingriff, einer besseren Spanabfuhr und einem höheren axialen Schritt.

In der Luft- und Raumfahrt konnte beim Schruppen von Titanrippen mit dynamischem Fräsen die Spandicke konstant gehalten und die Wärme an der Kante reduziert werden. Die Zykluszeit pro Tasche sank, und die Kanten brachen weit weniger aus. Die Geschwindigkeiten waren zwar aufgrund des Materials niedriger, aber das Werkzeug blieb länger im Schnitt und musste seltener gewechselt werden.

Formenbau und Werkzeugbau

Schimmelpilzbetriebe gedeihen gut, wenn das Schruppen ein sauberes Halbfinish ergibt:

• Grobschlächtig, um Material schnell abzutragen und Durchbiegung an hohen Wänden zu vermeiden.
• Semi-Finish zum Ausbügeln der Höckerhöhe, Einstellen des Restmaterials und Bestätigen von Stock-to-Leave.
• Raue Stellen, an denen große Werkzeuge nicht hinkommen, so dass kleine Schaftfräser sicher sind.
• Endbearbeitung, um die erforderliche Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu erreichen.

Eine einfache Angewohnheit - gleichmäßiges Material auf allen Oberflächen - reduziert die "Luft" im Halbfinish und schützt kleine Fräser im letzten Durchgang.

ROI-Modellierung

Eine kleine Berechnung hilft Ihnen, neue Werkzeugwege oder Fräser zu rechtfertigen.

• Eingaben: aktuelle Zykluszeit, Soll-Zykluszeit, Werkzeugkosten pro Teil, Ausschussrate und ungeplante Ausfallzeiten.
• Ergebnisse: neue Kosten pro Teil, Durchsatzsteigerung pro Schicht, Amortisationszeit.

Beispiel: Wenn Sie bei einem 30-Minuten-Zyklus 8 Minuten einsparen und 20 Teile pro Schicht fertigen, gewinnen Sie 160 Minuten. Das könnten 5-10 Teile mehr sein, bei gleichem Arbeitsaufwand und längerer Lebensdauer der Werkzeuge. Selbst kleine Gewinne wie dieser machen sich oft innerhalb weniger Tage durch Programmierzeit und bessere Werkzeuge in der Produktion bezahlt.

Fehlersuche, Sicherheit und Qualitätssicherung

Häufige Fehlerarten und deren Behebung

Verwenden Sie dies als schnelle Diagnosekarte.

• Rattern (laute, wellige Markierungen): Stickout verkürzen, WOC senken, Drehzahl ändern, variable Helix verwenden, Einfahrmethode ändern, Halterbalance prüfen.
• Werkzeugausbrüche an den Ecken: Eingangsstoß reduzieren, schraubenförmige Rampe hinzufügen, fz erhöhen, um Reibung zu vermeiden, Kantenvorbereitung bestätigen, Radialschnitt abmildern.
• Aufgetragene Kante (Aluminium/Edelstahl): Erhöhung der SFM innerhalb der Grenzen, Hinzufügen einer für die Haftung geeigneten Beschichtung, Verbesserung der Kühlmittelführung, Schärfen der Kante.
• Thermische Risse (harte Stähle): SFM senken, Kühlmittel konstant halten (On-Off-Kühlung vermeiden), härtere Beschichtung verwenden, intermittierende Schnitte reduzieren.
• Spänepackung: Verbesserung der Späneabfuhr (Luft/Durchgangs-Kühlmittel), Hinzufügen von Rückzügen, Verringerung der WOC, Kippen des Werkzeugs zum Öffnen von Kanälen.

Sicherheitsprotokolle für aggressives Schruppen

Beim Schruppen entstehen schwere Lasten und heiße Späne. Sorgen Sie für die Sicherheit von Menschen und Maschinen:

• Verwenden Sie Schutzvorrichtungen und Späneschutzvorrichtungen und verlangen Sie angemessene PSA.
• Einstellen von Spindellastgrenzen mit Stoppcodes für Überlastbedingungen.
• Hinzufügen einer Logik für den sicheren Neustart nach Werkzeugbruch oder Stromausfall.
• Halten Sie den Bereich frei von langen, fadenförmigen Spänen und entsorgen Sie die Späne ordnungsgemäß.

Prozessbegleitende Überwachung (Poka-Yoke)

Eine einfache "Fehlersicherung" spart Schrott:

• Spindelbelastungsschwellen zum Auffangen von Werkzeugbruch oder Spänestau.
• Vibrationssensoren oder audiobasierte Alarme für Ratterspitzen.
• Werkzeugbrucherkennung zwischen den Zyklen.
• Antastroutinen zur Überprüfung des Rohmaterials, der Position der Merkmale und der Wiederholbarkeit der Vorrichtungen.

Übergabe an die Weiterverarbeitung (Quality Gates)

Eilen Sie nicht ohne Kontrolle vom Schruppen zum Schlichten:

• Stellen Sie sicher, dass der Bestand auf allen Flächen innerhalb einer engen Bandbreite liegt.
• Prüfen Sie die Rauheit der Keilflächen vor der Fertigstellung.
• Zeichnen Sie den Werkzeugverschleiß an Schruppwerkzeugen auf, um vorherzusagen, wann die Schneiden ersetzt werden müssen.
• Überprüfen Sie die Wiederholbarkeit der Vorrichtung, damit sich der letzte Durchgang auf dieselben Bezugspunkte bezieht.

FAQs

Referenzen

https://www.iso.org/standard/74591.html

https://ntrs.nasa.gov

https://www.iso.org/standard/41925.html