DE1908662A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstuecken durch elektrochemisches Senken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstuecken durch elektrochemisches SenkenInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,
Werner-von-Siemens-Str.50
Unser Zeichen: PLA 69/0703 Bu/Fl
Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken durch elektrochemisches Senken
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken durch elektrochemisches Senken (EC-Verfahren), insb.
von Turbomaschinenschaufeln, bei dem zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Elektrode ein elektrisches Strömungsfeld
hoher Stromdichte aufgebaut und ein Bearbeitungsspalt aufrechterhalten wird, durch welchen der Elektrolyt unter hoher Geschwindigkeit
strömt, während Elektrode und Werkstück relativ zueinander bewegt werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine
vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die Metallbearbeitung mittels elektrolytischer Elektro-Erosion (EC-Verfahren bzw. elektrochemisches Senken) hat sich auf verschiedenen
Gebieten der spanabhebenden Bearbeitung als überlegen erwiesen. Entscheidend hierfür ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit,
die Herstellbarkeit auch komplizierterer Formen in einem Arbeitsgang, die Vermeidung von mechanischer Nachbearbeitung,
d. h. Vermeidung von Riefenbildung, sowie der Wegfall der Abnutzung spanabhebender Werkzeuge wie Schneidstähle etc. Die elektrolytische
Elektroerosion ist bekanntlich eine Abart der elektrochemischen Bearbeitung: Man benutzt die anodische Auflösung
in einem Elektrolyten. Das Werkstück stellt in der Regel die Anode dar, während ein als Kathode geschaltetes Werkzeug gegenüber
der Bearbeitungsfläche des Werkstückes liegt und der Spalt zwischen beiden mit einem Elektrolyten gefüllt ist. Als Elektrolyt,
von dem Werkstück und Elektrode umgeben oder umspült werden, dienen in der Regel wässrige Lösungen eines metallischen Salzes
oder eine schwache Säure, d. h. ein elektrisch leitendes Medium. Beim Durchgang eines Stromes wird proportional zur Stromstärke
und der Zeit vom Werkstück Material abgetragen. Der Stromdurchgang durch den Arbeitsspalt hängt vom Abstand zwischen Anode und
Kathode ab; demgemäß erfolgt an den Stellen, an denen die Annäherung am größten und damit der Widerstand im Elektrolyten am
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geringster ist, die größte Abtragung. Man muß deshalb mit zunehmender
Auflösung der Werkstückoberfläche einen ständigen Vorschub des Werkzeuges gegen das Werkstück erzeugen. Die Erfindung geht
von der Erkenntnis aus, daß das bisher angewendete EC-Ver&hren,
so vorteilhaft es im Vergleich zur spanabhebenden Bearbeitung auch ist, noch insoweit verbesserungsbedürftig ist, als bisher
d3s Verfahren lediglich an Einzelstücken erfolrte und die einzelnen
Werkstücke im allgemeinen bzw. die Turbomaschinenschaufeln im besonderen wegen des notwendigen Einspannens nicht auf der
ganzen Länge erfaßt werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen, d. h. ein Verfahren
zur Bearbeitung von Werkstücken durch elektrochemisches Senken anzugeben, durch welches im kontinuierlichen Durchfluß, ohne daß
ein Ein-, Aus- oder Umspannen einzelner Werkstücke erfolgen müßte, die Bearbeitung erfolgen kann. Aufgabe der Erfindung ist es
auch, eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß das Werkstück an mindestens einer sich drehenden
walzenartigen Formelektrode vorbeibewegt wird, deren abgewickelte Profilierung einem elektrochemischen Abbild der gewünschten
Werkstückform entspricht und beim Abwälzen der Elektrode diese Werkstückform an der Oberfläche des Rohlings erzeugt, wobei die
Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks und die Umfangsgeschwindigkeit der Formelektrode aufeinander abgestimmt werden, d. h.
gleich gehalten ader in bestimmte Verhältnisse zueinander gebracht
werden. Dieses Verfahren ist mit besonderem Vorteil für die Turboranschinen-bchaufelfertigung
anwendbar, indem es aus einer Rohiu'iterialstange
aneinanderhängende Schaufeln liefert, die sich in einem nachfolgenden automatisierungsfähigen Arbeitsprozeß am Fußende
gerade und am Kopfende in beliebiger Schräge abtrennen lassen. Danach ist nur noch ein Putzarbeitsgang und das Schleifen des
Schaufelfußes sowie ggf. Kegelmantelschleifen der Schaufelspitzen erforderlich. Da ein Eingriff des Bedienungsmannes nach Fertigstellung einer Schaufel nicht notwendig ist,
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kann eine Reihe derartiger Maschineneinheiten von einem Mann bedient werden. Das Verfahren eignet eich sowohl zur Herstellung
prismatischer ale auch verwundener Schaufeln, ebenso wie Turbinen- oder Turbomaschinenschaufeln mit oder ohne Deckband erzeugt
werden können. Das Verfahren läßt eich besonders rationell gemäß einen weiteren Merkmal der Erfindung dadurch durchfuhren, daß
das Werkstück zwischen 2 sich gegenläufig zueinander'drehenden
Formelektroden hindurchbewegt und demgemäß an seinen beiden Längs
selten gleichzeitig bearbeitet wird. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere für Turbomaschinenschaufeln eine Materialstange größerer Länge an den
Formelektroden vorbeibewegt und senken die Elektroden jeweils bei einem Umlauf die Form eines Werkstückes oder einer ganzen
Zahl von Werkstücken in diese Materialstange ein, wobei in periodischer Arbeitsweise die Werkstücke nacheinander aus der Material stange erzeugt werden, ohne daß der Materialvorschub unterbrochen werden müßte. Bisher hat man lediglich beim Walzen von
gleichartig ausgebildeten Werketücken ein Rohmaterialband oder eine Rohmaterialstange den Walzen zugeführt. Hierzu waren aber
mehrere aufeinanderfolgende Walzprozesse erforderlich, bei welchen unter erheblichem fertigungstechnischen und maschinentechniechen Aufwand allmählich die endgültige Form in dae Band eingewalzt wurde. Durch die Erfindung ist überraschenderweise eine
kontinuierliche Bearbeitung durchlaufender Rohmaterialbänder oder -stangen nun auch nach dem EC-Verfahren möglich, wobei in
einem Durchlauf die endgültige Form erzielt werden kann, was eine erhebliche Rationalisierung der Fertigung mit sich bringt.
Wie erwähnt, können die Werkstücke aneinanderhängend den Eingriffsbereich der Elektroden verlassen und bei einem nachfolgenden Trennprozeß voneinander getrennt und ggf. nachbearbeitet
werden. Es ist jedoch auch möglich, daß die den Einwirkungsbe-.reich der Elektroden verlassenden Werkstücke am Ende ihrer Durch
laufetrecke durch die Elektroden elektrochemisch von den zulaufenden Stangenteilen abgetrennt werden. Die abgetrennten Werkstückteile können in einem Auffangbehälter unterhalb der Formwalzen aufgefangen werden, welcher als Schleuse ausgebildet 1st,
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so daß in bestimmten Intervallen die aufgefangenen fertig bearbeiteten Werkstücke schubweise aus dem Elektrolyt-Behälter entnommen werden können.
Gegenstand der Erfindung ist, wie erwähnt, auch eine Vorrichtung
zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens, welche in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Elektrolyt-Druckkammer aufweist mit einer abdichtbaren Materialführungsöffnung, durch welche die Materialstange in die Druckkammer trans
portierbar ist, und mit mindestens einer walzenförmigen Formelektrode, welche, mit Abstand zu einer Gegenwalz"e drehbar angeordnet, eine Werkstückdurchlauföffnung definiert, sowie mit an der
Formelektrode und der Gegenwalze angreifenden mitlaufenden Dichtwalzen, welche - abgesehen vom Bearbeitungsspalt - die Druckkammer zum Abflußraum des Elektrolyten abdichten. Ist hierbei nur
eine walzenförmige Formelektrode vorgesehen, während die Gegenwalze lediglich zur Führung des Werkstückes dient, so werden die
Werkstücke auf ihrer einen Längsseite bearbeitet. Eine weitere Rationalisierung kann, wie bereite erwähnt, dadurch erzielt werden, daß auch die Gegenwalze als Formelektrode ausgeführt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die an den Formelektroden bzw. Gegenwalzen angreifenden Dichtwalzen aus einem elektrisch isolierenden, elastischen, gegen Abrieb widerstandsfähigen Material, insb. aus
Weichgummi oder Moltopren. Es ist hierdurch bei entsprechenden Andrückkräften zwischen den miteinander in Eingriff stehenden
Formelektrodenwalzen und Dichtwalzen eine elastische Abdichtung der Elektrolyt-Druckkammer ermöglicht, wobei der Elektrolyt mit
erheblicher Geschwindigkeit durch den den einzigen Durchlaß darstellenden Bearbeitungsspalt strömen kann. Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung sind Zueatzdichtwalzen vorgesehen, wel-.
ehe mit den an den Formelektroden bzw. Gegenwalzen anliegenden Dichtwalzen in Eingriff stehen. Es kann auf diese Weise die gesamte Elektrolyt-Druckkammer von den Walzen begrenzt werden, und '"
es ergeben sich weitere durch eine Gummi-Metallauflage besonders gut abdichtende Stellen. Bevorzugt bestehen die Zueatzdichtwalzen aus einem gegen unerwünschten elektrochemischen Abtrag wi-
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BADORiGfNAi.
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derstahdsfählge Material, vorzugsweise aus Titan. Dieses Metall
ist auch dann, wenn es auf anodischem Potential steht, gegen elektrochemischen Abtrag widerstandsfähig, was darauf zurückzuführen
ist, daß es zwar aufgrund seiner Oberflächenstruktur Elektronen leitet, jedoch für Ionen ein Nichtleiter ist, d. h. innerhalb
der insb. in Frage kommenden Spannungsbereiche zwischen 10 und 15 V.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung besteht
darin, daß eine oder mehrere der Elektrolyt-Druckkammer vorgeschaltete Greifvorrichtung(en) vorgesehen sind, welche die zulaufende
Materialstange periodisch und abschnittsweise erfassen und vorschieben und daß die Formelektroden bzw. Gegenwalzen mit
einem - vorzugsweise elektrischen - Antrieb gekuppelt sind, wobei die Greifvorrichtungen und der Antrieb miteinander derart in Wirkverbindung
gebracht sind, daß Vorschub- und Walzenumlaufgeschwindigkeit aufeinander abstimmbar sind.
Wenn das Werkstück größere Einsenktiefen aufweisen muß, so kann die Einwirkungsdauer der Elektrode auf das durchlaufende Werkstück
durch Verlangsamung des Vorschubes entsprechend verlängert werden.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung das Verfahren sowie ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zu seiner Durchführung
näher erläutert.
In der einzigen Fig. ist unter Fortlassung der für das Verständnis
der Erfindung nicht erforderlichen Teile ausschnittsweise eine EC-Vorrichtung dargestellt, durch welche gerade eine Materialstange
läuft.
Im einzelnen bedeuten: 1 das Gehäuse der EC-Vorrichtung, 2 die Elektrolyt-Druckkammer, in welche ein geeigneter Elektrolyt unter
hohem Dru,ck gepumpt wird, der diese Kammer über den zwisohen
dem gerade in Bearbeitung befindlichen Werkstück 3 und den wal-
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BAD
PLA 69/0703
zenförmigen Formelektrbden 4 gebildeten Bearbeitungsspalt s verläßt;
5 die abdichtbare MaterialfUhrungsöffnung, durch welche
die Materialstange, allgemein mit 3' bezeichnet und damit auch
das gerade bearbeitete Werkstück 3 den Formelektroden 4 zugeführt wird; 6 ein Einsatzteil, welches dichtend in der Gehäuseöffnung
1a befestigt ist und die vorgenannte Materialführungsöffnung 5 enthält; 7 Dichtwalzen aus Hartgummi, θ Zusatzdichtwalzen
aus Titan; 9 eine die Materialstange 3* ergreifende Vorschubzange,
die gemäß Pfeil 10 die Stange allmählich vorschiebt, entsprechend der Umfangsgeschwindigkeit der Formelektroden 4;
11 eine Elektrolytablaufkammer, welche an ihrem Grunde entweder eine abdichtbare öffnung zum Hindurchleiten der fertig bearbeiteten Schaufelstticke 3a enthält bzw. eine Schleusen vorrichtung,
sofern innerhalb der Ablaufkammer 11 bereits der Trennschnitt, welcher bei 12 angedeutet ist, vorgenommen wird.
An Stelle der Greifvorrichtung in Form der Vorschubzange 9 können auch mehrere Greifvorrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise
zwei, welche das Werkstück bzw. die Materialzange 3, 5 abwechselnd vorwärts schieben. Es könnten auch Vorschubwalzen vorgesehen
sein (nicht dargestellt).
Wie ersichtlich, werden im kontinuierlichen Durchlauf Gasturbinenschaufeln
3a erzeugt mit einem Fußteil 3a' und einem Schaufel· blatt-Teil 3aw; dieser Schaufelblatt-Teil 3a" kann in sich verwunden
sein, da auch eine solche Gestalt durch die Vorrichtung herstellbar ist.'Weiter ist ersichtlich, daß das Werkstück 3
zwischen den sich gemäß Pfeilen 13 gegenläufig zueinander drehen den walzenartigen Formelektroden 4 vorbeibegewegt wird, deren
abgewickelte Profilierung 14 einem elektrochemischen Abbild der gewünschten Werkstückform bzw. -oberfläche entspricht. Beim Abwälzen
der Elektrode auf der Bearbeitungelänge des Werkstücks wird in letzteres die gewünschte Oberflächengestalt gewissermaßen eingeprägt. Hierbei ist auf die genaue Einhaltung des Arbeitsspaltes
s zu achten, d. h. die Fcrraelektroden 4 dürfen sich
mit ihrer Profilierung dem zu bearbeitenden Werkstück 3 nicht zu sehr nähern bzw. sich nicht zu weit von disgem entfernenc We-
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8entlich let in diesem Zusammenhang,daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks 3 einerseits und die Umfangsgeschwindigkeit
der Formelektroden 4 andererseits aufeinander abgestimmt werden, d. h. gleichgehalten oder in bestimmte Verhältnisse zueinander
gebracht werden. Dadurch, daß sswischen den walzenförmigen Formelektroden 4 und dem Werkstück 3 ein vom Elektrolyten ausgefüllter
Spalt s besteht, ist es möglich, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Elektroden 4 und die Werkstückgeschwindigkeit auch voneinander
verschieden sein können. Hieraus resultiert, daß mit einer bestimmten walzenförmigen Formelektrode 4 Werkstücke bzw. Schaufeln
3a verschiedener Länge jedoch gleichen Profile herstellbar sind und weiterhin, daß Profilwalzen bzw. Formelektroden 4 für Schaufeln
bzw. Werkstücke 3a, 3 verschiedener Länge einen gleichen Durchmesser aufweisen können, was zu entsprechenden Vereinfachungen
bei der Werkzeugmaschinen-Konstruktion führt. Demgemäß besteht ein weiteres Verfahrensmerkmal der Erfindung darin, daß der Abstimmungsgrad zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Formelektrode (n) 4 und der Vorschubgeschwindigkeit des zu bearbeitenden
Werkstückes 3 in Abhängigkeit von den jeweils pro Zeiteinheit wegzusenkenden Quer sehn it tsgrößei: üer auf die Elektrode (n) 4 zulaufenden Werkstückpartien gebracht ist.
Diese Maßnahme führt im Falle der Herstellung von Werkstücken unterschiedlicher Länge jedoch gleichen Profils, wie erwähnt, erfindungsgemäß dazu, daß die gleichen walzenförmigen Formelektroden verwendet werden können, wobei jedoch das Verhältnis der Vorschub- zur Walzenumfangsgeschwindigkeit verändert wird.
Dieses Verfahrensmerkmal ist z. B. auch bei Turbomaschinenschaufeln anwendbar, die eine unterschiedliche Länge aufweisen, jedoch
auf ihrer Länge um den gleichen Winkel in sich verwunden sind, so daß die Verwindung bei den längeren Schaufeln im Vergleich zu den
kürzeren Schaufeln gleichsam gestreckt wird.
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Die dargestellte Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, daß die Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Walzendrehzahl
durch mit der Walzenachse gekuppelte Programmscheiben oder Programmsteuerwerke erfolgt (nicht dargestellt).
Die vorgenannte Steuerung ist insb. deshalb notwendig, weil bei
krassen Querschnittsunterschieden, wie z. B. beim Übergang vom Schaufelfuß 3a1 zum Schaufelblatt 3a" plötzlich große Materialmengen
abzutragen sind, d. h., daß die Vorschubgeschwindigkeit nicht gleichmäßig ist, sondern in Abhängigkeit vom Profil sich
ändert.
Die genaue Spalteinhaltung ist beim konventionellen EC-Verfahren
mit längsverschieblich gelagerten und translatorisch bewegten Elektroden an sich bekannt (DAS 1 169 056 und britische Patentschrift
1 062 562 - elektrische Methode; sowie DAS 1 237 713 mechanische Methode).
1 Figur
Ansprüche
Ansprüche
009852/0964 " 9 "
bad mm
Claims (1)
- Patentansprüche t1. Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken durch elektrochemisches Senken (EG-Verfahren), insb. von Turbomaschinenschaufeln, bei dem zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Elektrode ein elektrisches Strömungsfeld hoher Stromdichte aufgebaut und ein Bearbeitungsspalt aufrechterhalten wird, durch welchen der Elektrolyt unter hoher Geschwindigkeit strömt, während Elektrode und Werkstück relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück an mindestens einer sich drehenden walzenartigen Pormelektrode vorbeibewegt wird, deren abgewickelte Profilierung einem elektrochemischen Abbild der gewünschten Werkstückform entspricht und beim Abwälzen der Elektrode diese Werkstückform an der Oberfläche des Rohlings erzeugt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks und die Umfangsgeschwindigkeit der Pormelektrode aufeinander abgestimmt werden, d. h. gleich gehalten oder in bestimmte Verhältnisse zueinander gebracht werden.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zwischen zwei sich gegenläufig zueinander drehenden Pormelektroden hindurchbewegt und demgemäß an seinen beiden Längsseiten gleichzeitig bearbeitet wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Materialstange größerer länge an den Pormelektroden vorbeibewegt wird und die jeweils bei einem Umlauf die Form eines Werkstückes oder einer ganzen Zahl von Werkstücken einsenkenden Elektroden in periodischer Arbeitsweise die WeScsbüeke nacheinander aus der Materialstange erzeugen.4. Verfahren nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die den linwirkungsbereich der Elektroden verlassenden Werkstücke am Ende ihrer Durchlaufstrecke vom den zulaufenden Stangen teilen elektrochemisch durch die Elektrode?) salbefe atogstiM-an-i· werden.009852/0964x « 1 O -BAD ORlOlNAb n.*rVPA 69/07035· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke aceinanderhängend den Einwirkungsbereioh der Elektroden verlassen und bei einem nachfolgenden Trennprozeß voneinander getrennt und ggf· nachbearbeitet werden·6, Verfahren nach einem der AneprUohe 1 bis 5, daduroh gekennzeichnet, daß der Abatimmungegrad zwlochen der Umfangsgeschwindigkeit der Formelektrode (n)»d cterVorsohubgesohwindlgkeit des zu bearbeitenden Werkstückes in Abhängigkeit von den jeweils pro Zeiteinheit wegzusenkenden Quersohnittsgrößen der auf die Elektrode(n) zulaufenden. Werkstiiokpartien gebracht ist«7. Verfahren nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Werkstücken unterschiedlicher Länge jedoch gleichen Profils die gleichen walzenförmigen HOrmelektroden verwendet werden, wobei jedoch das Verhältnis der Vorschubzur Walzenumfangsgesohwindigkeit verändert wird.8· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Elektrolyt-Druokkammer aufweist mit einer abdichtbaren Materialführungsöffnung, durch welche die Materialstange in die Druckkammer transportierbar ist, und mit mindestens einer walzenförmigen Formelektrode, welche, mit Abstand zu einer Gegenwalze drehbar angeordnet, eine Werkstttokdurchlauföffnung definiert, sowie mit an der Formelektrode und der Gegenwalze angreifenden mitlaufenden Dichtwalzen, welohe - abgesehen vom Bearbeitungespalt - die Druckkammer zum AbfluBraum des Elektrolyten abdichten.«9· Vorrichtung nach Anepruoh Θ, daduroh gekennzeichnet, daß au oh die Gegenwalze als formelektrode ausgeführt ist»10· Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» daduroh gekennzeichnet, daß die an den Formelektroden bzw· Gegenwalzeis angreifenden Diohtwalzen aus einem elektrisch isolierenden, elastischen, gegen Antrieb widerstandsfähigem Material, insb· Weichgummi- 11 -009852/0964BAb ORIGINALVPA 69/0703- 11 oder Moltoprene bestehen.11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bia 10, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzdichtwalzen vorgesehen sind, welche mit den an den Formelektroden bzw. Gegenwalzen anliegenden Dichtwalzen in Eingriff stehen.12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zueatzdichtwalzen aus einem gegen unerwünschten elektrochemischen Abtrag widerstandsfähigen Metall, vorzugsweise aus Titan, bestehen.13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eiue oder mehrere der Elektrolytkatnmer vorgeschaltete Greifvorrichtung(en) vorgesehen sind, welche die zulaufende Materialotange periodisch und abschnittsweise erfassen und vorschieben und daß die Formelektroden bew. Gegenwalzen mit einem - vorzugoweise elektrischen - Antrieb gekuppelt sind, wobei die Greifvorrichtungen und der Antrieb miteinander derart in Wirkverbindung gebracht sind, daß Vorschub- und Walzenumlaufgeechwindigkeit aufeinander abstimmbar sind.14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Waleendrehzahl durch mit der Walzenachse gekuppelte Programmscheiben oder Programmsteuerwerke erfolgt.009852/0964 BAD ORIGINALLeerseite
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