资源描述
1/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 行业研究报告 慧博智能投研 丝杠作为 传动核 心部件，在 机床、汽 车和航 空航天 等多 个领域都 发挥着 重要作 用，人形机器 人产业 化进程加速，更是有 望带来 丝杠 市场广阔 增量。而在实 际 行 业发展中，我国 丝杠 行 业从 产品端到 制造端，都严重依赖 进口，国产替 代需 求强烈。基于这 种现状，国 内企业亟需 打破 技术壁 垒，加快研发 步伐，突破关键技术，以取 得国产 替代 实质性突 破。以下我们 就聚焦 国内丝 杠 行 业国产替 代，来 探寻 该 行业 发展中的 相关问 题。我 们将 主要沿行 业国产 替代现状、所 呈现出 的市场 机遇、行业前 景展望 三条主 线为 大家展开 分析。丝杠行 业在 我国市场 发展中，面临哪些市场 壁垒？当前 国产 替代进程 怎样？在关键 环节 上有哪些 突破？研发方 面，相关市场 主体做 了哪些准备？以及在 行业 国产替 代视角下，所呈 现出的 市场 机遇有哪 些？相 关布局 企业 发展情况 如何？后续行业市场 空间有 多大？迎合 市场量产，行业 有哪些 发展 趋势？带 着上述 问题，我们 一起去找 寻答案。目录 一、行业 概述.1 二、市场 壁垒.5 三、国产 替代.9 四、市场 机遇.18 五、相关 企业.20 六、市场 空间.23 七、发展 趋势.26 八、参考 研报.26 1 丝杠是一 种可以 使旋转 运动 变成直线 运动的 传动副 零件，其优势 在于高 速运动 下保 证定位精 准，由 于摩擦力较低，其传 动效率 可达 90%。丝杠 对于精 度以及 强 度要求都 较高，原因在 于丝 杠不仅需 要精确 地确定工作台 位置从 而将旋 转运 动变为直 线运动，还需 要传 导动力，在精度、强度、耐 磨性等方 面均提 出较高要求，故而丝 杠的加 工工 艺以及原 材料都 有较高 要求。常见的丝 杠类型：包括 梯形 丝杠（滑 动丝杠）、滚 珠丝 杠和行星 滚柱丝 杠。2/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 2 梯 形 丝 杠是 一 种滑 动 运动，适 用 于 慢速、精度 要 求不 高等 领 域。梯形丝杠由螺 杆和 螺母组成，螺杆 上布有梯形螺纹，依靠螺母与螺杆的旋合传递运动和动力，是完全依靠机械接触产生滑动，是一种滑动运动，其传动效 率 30-70%（低于 滚珠 90%+），且其高 速发 热明显，更适用 于低速 运动，同时精 度较低 为C10 以上（滚 珠最高 可到 C0 级），但其 有自锁 功能（滚珠无，需外加 零件）。梯 形丝杠多 应用于 数控机床、自 动输送 系统、测量 设备等。梯 形 丝 杠加 工 工艺 简 单，主要 为 切 销工 艺，已 经 成熟 广泛 推 广。梯形丝杠加工 方式 有滚压、切削和 研磨三种制造 方式，从精度 看研 磨（15um/300mm）切削（50um/300mm）滚 压（90um/300mm），但由于研 磨成本 高 10 倍 以 上，目前 多采用 切削方 式，技术简单，工艺 成熟。切削 工艺中，目前多 用旋风铣销丝 杠设备，可替 代此 前的车削 工艺，可将铣 丝、滚花一次 完成，减少表 面粗 糙度。3 滚 珠 丝 杠是 滚 动运 动，传 动效 率 高、精 度 高。滚珠丝杠由丝杆、螺母、滚珠、回珠 器主要 部 件构成，核心部分是 滚珠，滚珠位 于丝 杆的螺纹 槽内，同时与 螺母 的螺纹槽 接触。当丝杠 旋转 时，滚珠 在丝杆 和螺0YAZxOmRtQmNpRmPqNoRpOaQcM8OpNrRsQtPkPqQqMlOpPuM6MnMqMMYrRpNuOqNmO 3/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 母之间滚 动，实 现力的 传递 和直线运 动。回 珠器一 般分 为内循环 式和外 循环，在轻 载和小型 丝杠情 况下用内循环，反之 使用外 循环。滚 珠 丝 杠工 艺 分为 研 磨与 轧制，已 国产 化，但 高 精度 产品 技 术 仍待 提 升。滚珠丝杠加工核心 在于滚 道制作，螺母 的螺纹 采用研 磨技 术，而丝 杆可采 用研磨 和轧 制两种工 艺。轧 制是采 用冷 加工工艺 模具制 造，自动化程 度高，适合大 批量 生产，成 本低，但精度 偏低 一般为 C7 级以 上；而 研磨 工序长，从热处 理、粗加工（车削）、到精 磨（磨削），效率低，但精 度高，一般为 C7 级 以下，可达 到 C0 级。国 产技术 已突破，但 高精度 产品技 术仍 需提升，全球滚 柱丝杠 市场 空间超 120 亿。4 行 星 滚 柱丝 杠 是线 接 触的 滚动 运 动，具 备 滚珠 优 势，同时 承 载 力更 强、寿 命 长、体积 小。行星滚柱丝 杠由主丝杆，6-12 根滚 柱，螺 母，轴承 盖和齿 套筒组 成，与滚珠丝 杠的结 构相似，区 别在于其 载荷传 递元件为螺纹 滚柱，是线接 触；而滚珠丝 杠载荷 传递元 件为 滚珠，是 点接触。滚柱 替代 滚珠将使 负载通 过众多接触点 迅速释 放，从 而能 有更高载 荷和抗 冲能力，同 规格的滚 珠丝杠 的载荷 是滚 珠的 3 倍，寿命 是滚珠的 15 倍，同载荷 情况下，体积是 滚珠的 1/3。根据不同的结构设计，滚柱丝杠分为循环式、非循环式、反转式等，其中特斯拉人形机器人采用反转式，难度更高。反转 式 滚柱 丝 杠：螺母作 为主动 件（长 度长，加工难 度大），丝杆 为输 出构件（滚柱围 绕丝杆旋转，区别于 围绕螺 母旋 转），没 有内齿 圈，优 势在 于结构紧 凑，用 于小行 程工 作场景。循环式：去掉了内齿 圈，增 加返回 器（凸轮环结 构），滚柱可 在螺 母内旋转 一周后 归位，增加 螺纹数量，具有 更高刚度，用 于医疗 器械、精密 仪器等。非循环：增加 壳体、端盖、圆柱滚 子轴承 等部 件，承载 力强，应用于重型机 械、石 油化工 等，成本高。4/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 滚 柱 丝 杠与 滚 珠有 同 源性，但 综 合 性能 更 优，加 工难 度大 及 未 大规 模 生产 限 制成 本下 降。滚柱丝杠与 滚珠丝杠其 运动原 理类似，且 加工设备 基本相 同，工 艺具 备同源性。滚柱 丝杠综 合性 能更优，包括承 载力大、寿命 长、体 积小、速度 快等，但 其加工 工艺难，市 场 需求远 不及滚 珠（不 足 10 亿 vs 超 100 亿），因此成本 远高于 滚珠丝 杠。未来随着 人形机 器人放 量，滚柱丝杠 有望大 规模化 生产。5 C0 C1 C2 C3 C5 C7 C10 滚 珠 丝 杆的 JIS 等 级 可 分为 C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10 级，精度表 示 方法为无 论滚珠 丝杠的长度为多 长，任 取 300mm 的误差都 在等级 代表的 精度 之内，如 精度等 级为 7 级 时，任意 300mm 行程内行程变 动量为 0.050mm，即 C7=0.05。jBaDRww3JZk97xRrOxt7KciCYydMK33bsDsO0TSEcfbMEQU0ZkmKYyBuKFoFc1sZ 5/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 1 丝杠对精 度、强 度、耐 磨性、可靠性 等方面 有很高 要求，主要制 备壁垒 包括加 工工 艺、设备、原材 料等三方面。螺纹加 工、热 处理 等为核心 加工工 序，需 要深 刻 knowhow 积淀；生产 设 备主要依 赖进口 且售价昂贵、交付期 长。行 星 滚 柱丝 杠 与滚 珠 丝杠 存在 类 似 的物 理 构造，二者 的螺 纹 加 工方 式 主要 包 括磨 削加 工、旋风 铣 削、车削、滚 压成 形 等。目前海外巨头通过 磨削与 滚压成 形进 行加工，国内主 要采用 切削 方式生产 滚柱，采用磨削加工 丝杠螺 纹。而 滚压 成形具备 较高的 技术壁 垒，目前全球 范围内 仅有少 数海 外厂商能 够通过 滚压成形实现 行星滚 柱丝杠 的规 模量产。高精 度、高 一 致性 的 螺纹 的加 工 壁 垒较 高，依 赖 相关 工作 人 员 的技 术 经验。行星滚 柱丝杠通 过螺纹 牙之间的啮合 实现运 动及载 荷传 递，并通 过齿轮 啮合实 现滚 柱正确装 配，因 此螺纹 及齿 轮的加工 精度对 其装配、传动 及承载 特性具 备重 要影响，而滚柱、丝杠、螺 母上高精 度、高 一致性 的螺 纹存在较 大的加 工难度，依赖 于仪器 操作员 与工 程师的技 术经验。6/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 热 处 理 对丝 杠 成品 零 件的 制造 质 量、精 度 具有 较 大影 响，需 要 深刻 knowhow 积淀。主要分为 预备热处理与最 终热处 理。预 备热 处理的作 用是改 善丝杠 切削 性能、消 除残余 应力、为最 终热处理 做准备，而最终热处 理的作 用是 提 高螺 纹表面硬 度及耐 磨性。根据 循环式 行星滚 柱丝杠 副的 设计，热处理 后的GCr15 高碳铬 轴承钢 的屈服 强度提升 3-5 倍，硬度提 升 2-3 倍，机械 强度及 刚度显 著提升。热处理 工艺需要深刻 knowhow 积淀，国内厂商 近年来 已取得 一定 进步，但 在工艺 参数选 择等 方面仍与 海外有 一定差距，导 致丝杠 的精度 及可 靠性落后 于海外。行 星 滚 柱丝 杠 制备 的 核心 设备 包 括 高精 度 螺纹 磨 床等，依 赖 进 口且 造 价昂 贵、交 付周 期 长。行星滚柱丝杠已有成 熟制备 方案，核心 设备包括 旋风铣 设备、螺纹 磨床等，主要依 赖进口 且造 价昂贵。旋风铣 设备是一种用 于加工 大型螺 纹的 高 效能精 密专用 设备，可加 工淬硬钢 等难以 加工的 材料。目前旋 风铣床 主要依赖国外 引进，南京工艺于 2004 年首次 引进德 国公司 的 PW160 型 CNC 旋风硬 铣 机床，2009 年又引进其 PW300HP 型 1000mmCNC 旋风 硬铣机 床，可 精 铣出整体 800mm 以上的 大 型滚珠丝 杠副。而 汉江机床 自主研发出 HJO92 型旋风铣 床，单 次铣长 度最 大可达 800mm。而 螺纹磨 床用于加 工行星 滚柱丝杠的螺 纹，对 丝杠的 精度 有重要影 响，目 前主要 依赖 进口。由 于相关 生产设 备售 价高昂，且交付 期较长，因此 具备较 强资金 实力、在丝杠 行业布 局较早 的公 司或具备 一定优 势。滚 珠 丝 杠常 采 用 GCr15 高 碳 铬 轴 承钢 作 为原 材 料。滚 珠丝杠在 工作时 承受复 杂的 交变载荷、交变 应力的作用，易产生 弯曲扭 转组 合变形，因此滚 珠丝杠 的滚 道、轴颈 必须具 备高精 度、高强度、高刚度、强耐磨性等 良好的 工程力 学性 能。滚珠 丝杠通 常采用 GCr15 高碳铬 轴承钢 作为材 料，其在淬火 加低温 回火后具备硬 度高、组织均 匀、耐磨性强、解除 疲劳强 度高 等优点，但同时 也有塑 性一 般、切削 性能中 等、焊接性能 差、回 火脆性 等缺 点，因此 需要在 磨削滚 珠丝 杠粗加工 前进行 预先热 处理，通过球 化退火 把GCr15 材料中 的碳化 物球化，得到在 铁素体 基体上 均匀 分布 的球 状或颗 粒状碳 化物 组织，降 低材料 组织硬度，提 高材料 塑性机 能，改善材料 金属切 削机加 工性 能。7/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 行 星 滚 柱丝 杠 的丝 杠/螺 母与 滚 柱 分别 选 取合 金 结构钢 50CrMo4/GCr15 高 碳 铬 轴 承 钢作 为 原材 料。在行星滚 柱丝杠 的运行 过程 中，丝杠 螺母滚 柱的螺 纹滚 道会受到 连续、周期、频繁 的振动及 摩擦，导致丝杠工件 由于工 作温度 升高 而出现滚 道磨损、热变 形等 失效形式，因此 需要选 取硬 度高、耐 磨性强、承载力强及 温度适 应性良 好的 材料，还 需要考 虑材料 的切 削性能及 经济性。根据 航 天精密传 动机构 行星滚柱丝杠 的设计 与研究，丝杠常选 用合金 结构钢 50CrMo4，其强 度和淬 透性比 35CrMo 更好，调质后有较高 的疲劳 极限和 抗多 次冲击能 力，低 温冲击 韧性 良好，高 温情况 下仍有 高蠕 变强度和 持久强 度；螺母和滚 柱选取 GCr15 高碳 铬轴承钢，其综 合性能 良好，淬火和 回火后 具有高 而均 匀的硬度、良好 的耐磨性和高 的接触 疲劳寿 命，热加工变 形性能 和切削 加工 性能均较 好。南京工艺行星滚柱丝杠 副在淬 火后的硬度可 达 HRC58 以上，主要应用 于伺服 电动缸。2 受 益 于 学界 持 续研 究、政 策支 持 等 因素，我国 滚 珠丝 杠迅 速 发 展，但 高端 产 品仍 较海 外 存 在显 著 差距。滚珠丝杠 起源于 19 世纪 末，1940 年 美国通 用公司 将 其用于汽 车方向 盘转向 机构 后开始被 广泛使 用。1965 年滚 珠丝杠 在数控 车 床上的应 用取得 突破性 进展，助力加 快机械 制造业 的发 展。滚珠 丝杠的 发展方向从 敏 捷省能 传动 向 高速 度、高精 度和高 可靠性 传动 演进。国内自 20 世纪 50 年代开展 大量滚 珠丝杠相关研 究，于 1964 年自 主研制出 第一套 滚珠丝 杠副，在国内 学界持 续研究、有 限元分析 相关软 件成熟、政策 支持等 因素推 动下，我国滚 珠丝杠 迅速发 展。当前我国 中低档 产品已 接近 持平海外 同类竞 品，而高端产 品与海 外巨头 仍有 显著差距。当前 海 外厂 商可 稳定生产 C1 级 滚珠丝 杠，而国内厂 商可稳 定生产 C2 级滚 珠丝杠，尚无 法 稳定供应 C1 级 产品。历经超 80 年 的 研 究历 程，海 外 龙 头构 建 了行 星 滚柱 丝杠 的 全 面理 论 体系 与 成熟 产品 矩 阵。瑞典发明家Carl Bruno Strandgren 于 1942 年 申请行 星滚 柱丝杠 的 第一个发 明专利，并于 十多 年后优化 设计了 带螺旋升角的 滚柱丝 杠，为 海外 学术界此 后的大 量相关 研究 奠定理论 基础。William J.Roantree 和 Oliver Saari 分别在 1968 年和 1986 年设 计了差 动式行 星滚柱 丝杠和轴 承环型 行星滚 柱丝 杠。1987 年，大冢次郎等对标 准式的 三大构 件进 行了运动 学和轴 向刚性 分析。1996 年，美国 LemorP 等推导出 标准式 的承载能力和传 动效率 等计算 公式。当前行 星滚柱 丝杠理 论研 究主要集 中于结 构参数、啮 合特性、运动学、承载特性、摩擦及 效率等 方向。目前，德国 Schaeffler、瑞士 Rollvis、瑞 典 SKF、德国 INA、美国 Exlar、瑞士 GSA、英国 PowerJack、德国 LTK 等 国外龙 头均 在行星滚 柱丝杠 的精度 等级、润滑维 护、应 用平台等领域 形成理 论体系，积 累大量生 产应用 经验，形成 针对下游 各行业 的成熟 产品 系列，但 由于技 术封锁，行星 滚 柱丝 杠的设 计、制造、装 配等关 键技术 尚未 公开。国 内 关 于行 星 滚柱 丝 杠的 研究 起 步 较晚，国内 企 业尽 管已 实 现 小批 量 量产，但产 品参 数 及 品种 均 落后 于海 外，尚处 于 初级 阶 段。国 内关于行 星滚柱 丝杠的 研究 起步于 20 世纪 90 年 代，学界从结 构设计、运动分析、接 触特性 等方面 进行 相关研究 并收获 一定成 果。目前的基 础理论 研究仍 处于 初步阶段，尚未 形成系统理论 成果，在传动 效率、性能分 析、试 验研究 等方 面的研究 相对不 足，因 此尽 管如 博特精工、优励 8/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 聂夫、扬 州 众孚 等公司均已 实现行星 滚柱丝 杠的小 批量 生产，但 在传动 效率、承载 能力、精 度、寿 命、尺寸、生 产一致 性等指 标上 落后于海 外，产 品品种 及应 用范围也 显著小 于国外。中 国 大 陆企 业 在滚 珠 丝杠 中低 端 市 场占 据 一定 份 额，但在 高 端 市场 的 市占 率 仍较 低。根据金 属加工 公众号，中国 台湾的 上银、银泰 在国内中 低端滚 珠丝杠 市场 占据主要 份额，而力士 乐、THK、NSK 等日 德厂商基本 垄断国 内中高 端滚 珠丝杠市 场。汉江机床、南京工艺 等中国大陆企业 在中 低端市场 占据一 定份额，但在 高端市 场的市 占率 仅 5%，在加 工制造 水平、生产规模 都显著 落后于 海外 龙头。近 年来，随着国产高端 滚珠丝 杠性能 不断 提升，叠 加价格 优势，高端 滚珠丝杠 国产替 代进程 持续 推进。9/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 国内 滚 柱丝 杠 市场 仍 由海 外厂 商 主 导，国 内企 业 产品 的应 用 场 景相 对 有限。根据E 公司 滚柱丝 杠产品营销策略 研究，Rollvis 和 GSA 各占 据国内 滚柱丝 杠市场 26%的份 额，Ewellix 占据 14%的 份额，而南京工艺、博特 精 工 各占 8%的份额，且产品 应用 场景 集中于军 工行业。1 1 中 国 是 滚珠 丝 杠产 品 重要 消费 市 场 之一，国内 滚 珠丝 杠是 超 50 亿 需 求 的细 分 赛道。一方面，根据秦川机床 2023 年 5 月投资 者关 系记录表，2022 年 国内滚 珠丝杠及 滚动直 线导轨 市场 容量约为 145 亿，预 计年复合增 长率达 10%以上。另 一 方 面，对 机床 成 本拆 分，对 机 床行 业 滚珠 丝 杠+直线 导 轨 的需 求 测算 有 同样 结论。根据 MIR，对 机床主 要 成本 拆 分 来看，数控、结 构、传 动、电机、刀库、其 他 部件 分 别 占机 床 成本 的 40%、25%、15%、10%、5%、5%。丝杠和 导 轨是传 动 重要零 部件，且占 据主要成 本（注：其他 还包 含主轴、轴承等）。根据 MIR 对 国内机 床实际 消费额的 估计，并假设 国内 机床的成 本机床 的成本 率为 70%，滚珠 丝杠+导轨的成本占 比约 10%，测算 2022 年国 内滚珠 丝杠+直线 导轨的需 求空间 接近 130 亿。一般机 床 X、Y、Z轴配置一 根滚珠 丝杠和 两根 直线导轨，单根 丝杠价 值量 更高，预 计机床 滚珠丝 杠应 用即超 50 亿空间。10/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 当 前，虽然 国 内滚 珠 丝杠 取得 了 一 些突 破，但 整 体来 说 国产化率 仍 偏 低，尤 其在 高端 市 场 份额 更 低。且由于海外 技术封 锁，国 产滚 动部件水 平基本 保持在 P2 级以下水 平，大 部分产 品在 P3-P5 级，难 以满足中高端机 床等高 端装备 需求。从某种 程度上，中国 企业 亟需实现 自主可 控。具 体来 说，中外 产业发 展，在以下方 面存在 差异，中国 企业尚有 进步空 间。品类差异：根据公称直径、公称导程、钢球 直径、循环 圈数等指 标排列 组合形 成不 同 SKU 产品。对比上 银 科 技 和南 京 工 艺，南 京工 艺 覆 盖 的 公 称 直 径 型 号、钢 球 直 径 型 号、公 称 导 程 型号 等 较 上 银 均 有 差 异，上银科技 的产品 SKU 较我 国大陆企 业品系 更加复 杂繁 多。指标差异：针对同一类型 SKU 或者相 接近的 产品，国 内产品在 动负载、静负 载及 刚度等指 标较进 口品牌仍有一 定差距。目前国内 滚珠丝 杠厂商 包括 南京工艺、贝斯 特、秦 川机床、博特精工 等，为国产替 代中坚力 量。南京工艺：目前其高速滚珠 丝杠副性 能达 60m/min 运 行时噪音 70dB，高 速滚动 直线导轨 副 60m/min运行时噪 音 68dB，为 精密 卧式加工 中心批 量配套 滚珠 丝杠副、滚动导 轨副，实现 各轴快移 速度40m/min、定 位精度 0.002mm、重复定 位精度 0.001mm。公司产 品为高 速、高 精中高档 数控机 床大批量配套，推进 了国产 滚动 功能部件 的提档 升级和 替代 进口。11/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 秦川机床：下属子公司汉江机床 可生产 2、3 级精度 的 滚珠丝杠、直线 导轨，有较 高的精度 保持性，可以满足中 高档数 控机床 的要 求，实现 了在新 能源汽 车领 域制造装 备滚动 功能部 件和 精密螺杆 副的国 产化推广应用。贝斯特：2022 年初成 立 宇 华 精 机，落实公司高端 装备 核心滚动 功能部 件研发 及产 业化项目，项目 建成后将形成 包括高 精度滚 珠丝 杠副、高 精度滚 动导轨 副等 主营产品，并瞄 准高端 机床 领域、半 导体装 备产业、自动化产业三大市场进行大力开拓。目前公司的滚珠丝杆副、直线导轨副等首台套已实现成功下线。2 行星滚柱 丝杠的 结构与 滚珠 丝杠类似，由丝 杠、螺 母、滚柱、内 齿圈等 组成，将滚 珠替换为 具有螺 纹结构的滚柱。一般 情况下，行 星滚柱在 主螺纹 丝杠周 围布 置 6-8 个行 星滚柱。当滚 柱绕着丝 杠做行 星运动，滚柱既有 与螺母 啮合的 纯滚 动，也有 与丝杠 接触产 生的 滑滚运 动，多点 啮合，结构 紧凑。通 过大幅 增加行星滚柱 丝杠传 动过程 的接 触面和受 力面，相较滚 珠丝 杠保持一 定精度、较高 传动 效率的同 时，又 具有高负载的 优点，为人形 机器 人直线执 行器的 重要部 件。人 形 机 器人 运 用有 望 带来 行星 滚 柱 丝杠 需 求释 放。根据特斯拉 2022 年 AIDay，Optimus 的 动力总 成主要采用旋 转执行 器+直线执 行器+灵巧手 的硬件 方案，且占据 Optimus 硬件最 主 要成本。其中旋 转执行器为谐波 减速器+电 机驱动 方案，直 线执行 器为电 机+梯形丝杠（4 个）及电 机+行星滚柱 丝杠（10 个）组合方案。同时，国内 部分 灵巧手驱 动方案 采用微 型伺 服电缸结 构，微 型行星 滚柱 丝杠同样 具备运 用空间，目前 已有厂 商具备 微型 行星滚柱 丝杠螺 母批量 制造 能力。行 星 滚 柱丝 杠 目前 仍 以海 外品 牌 为 主，国 内厂 商 加速 进行 行 星 滚柱 丝 杠产 品 验证。根据 DataIntelo Analysis，2017 年 行星滚 柱 丝杠规模 约为 10.2 亿美元，预计 2030 年将达 18.1 亿 美元，CAGR 约 4.5%。预计未来 伴随行 星滚柱 丝杠 在人形机 器人、工程机 械、医疗、半 导体等 领域运 用渗 透，需求 规模将 有更大增量。目前参与 行星滚 柱丝杠 产品 研发、制 造的商 家多 为 欧美 国际巨头，如瑞 士 GSA、Rollvis 等，在传动 件领域具备 深厚积 累。国 内目 前行星滚 柱丝杠 参与者 逐步 增多，包 括 新剑传动、鼎 智科 技、贝斯特、五洲新春 等。其中，根 据新剑 传 动的产品 手册来 看，其 已经 拥有行星 滚柱丝 杠相对 成熟 的产品并 实现在 人形机器人运 用。多 数企业 处于 制样、试 样阶段，产品 成熟 度、稳定 性有待 持续验 证。今年受益 国内企 业购置先进设 备产能、组建 人才 团队、开 展频繁 试样等 综合 因素催化，人形 机器人 用行 星滚柱丝 杠进展 将相对积极，有望逐 步释放 需求。12/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 3 根据金 属 加工杂 志社数 据，在国内高 端市场，欧美 日企 业市场占 有率高 达 90%，中 国大陆、中国台 湾制造商市场 份额各 约 5%，高 端市场格 局相对 集中；在国 内中低端 市场，大陆制 造商 拥有过约 30%，中低端市场格 局相对 分散。高 端 市 场：对应下游市场主 要为高精度切割、高速加工和高速定位的 CNC 机 床、印 刷 机、精 密 机 器 人、航空航天、电动 汽车、3C 装备等重 点领域。中 低 端 市场：主要以生产 率 高、价格 低廉，并能保 持机 械效率高、耐磨 性好的 产品 为主，下 游应用 精度要求不高，下游 主要为 工程 机械、普 通机床、打包 机、注塑机等 领域，也包括 医院 病床、手 术台、千 斤顶、小型 起重机、阀门 开关 等应用场 景。2 1 磨 床 是 丝杠 加 工的 核 心技 术壁 垒，其精 度 直接 决 定丝 杠精 度。磨床通过其 高度精 密 的磨削技 术，能 够确保丝杠具 有一致 的螺纹 形状 和尺寸，从而提 供可靠 的性 能和稳定 的运动 控制。磨床 的精度直 接影响 着丝杠的轴向 精度、径向精 度以 及整体的 运动平 稳性。精准 的磨床工 艺能够 确 保丝 杠的 每个螺纹 都具有 高度一致的规 格，防 止误差 和振 动，从而 提高 系 统的可 靠性 和工作精 度，因 而磨床 其高 精度的 加 工能力 直接决定了丝 杠最终 的性能 和质 量。13/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 从零件构 造角度 看，丝 杠是 牙型角为 90 的多头 螺纹，行星滚柱 是具有 相同牙 型角 的单头螺 纹，而 螺母具有与丝 杠相同 头数和 牙型 的内螺纹，因而 不同部 件涉 及磨床类 型存在 差异，主要 设备需用 到内螺 纹磨床、外螺 纹磨床、外圆 磨床（进行丝 杠轴外 圆表面 加工）、中心 磨床（丝杠轴 中心 孔加工）、平面 磨床（螺杆端 面加工）等。外 螺 纹 磨床：外螺纹磨床 进 行加工的 精密螺 纹结构 是行 星滚柱丝 杠的核 心部分，其 螺纹的加 工需要 极高精度。以 外圆磨 床对丝 杠轴 外圆表面 进行精 密磨削 来确 保表面光 滑和尺 寸精确；使 用中心磨 床对丝 杠轴中心孔进 行精密 加工来 确保 孔的尺寸 和位置 的精准 性；使用平面 磨床处 理螺杆 轴的 平面部分 或底座，确保整体的 平面度 和尺寸 准确。每次加 工螺纹 前，先 加工 丝杠外圆，然后 以丝杠 外圆 和两端中 心孔作 为定位基面加 工螺纹，逐步 提高 螺纹加工 精度。行星滚 柱的 加工设备 与丝杠 加工设 备近 似，其采 用外螺 纹结构，加工 过程中 亦涉及 外螺 纹磨床。行星滚 柱需要 与螺 母的内螺 纹相匹 配，确 保传 动系统的 性能和 精确性。海 外 厂 商在 外 螺纹 磨 床上 技术 领 先。瑞士的 Tornos、Studer，德国的 Sch tte、KappNiles，日 本的三菱重工等 厂商在 外螺纹 磨床 领域都拥 有显著 的技术 实力 和市场份 额。这 些公司 通过 不断创新，提升 外螺纹磨床的 精度、效率和 可靠 性，以满 足制造 行业对 高精 密内螺纹 加工的 不断提 升的 需求。14/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 内 螺 纹 磨床：滚柱螺母是 具 有内螺纹 结构的 零件，在加 工过程中 会使用 到内螺 纹磨 床。内螺 纹磨床 用以磨削螺纹、滚珠 螺母、滚柱 螺母和其 他精密 螺母等，以 确保内螺 纹的精 确性和 表面 质量，其 结构与 普通内圆磨床 相似。滚柱 丝 杠螺 母的内螺 纹需要 与丝杠 的外 螺纹相匹 配，以 实现传 动系 统的运动 控制和 精确性，故内 螺纹磨 床对于 螺母 的制造至 关重要，精密 数控 内螺纹磨 削技术 是加工 高精 密滚柱丝 杠螺母 的重要保证。内 螺 纹 磨床 精 密度 效 率不 断提 升，先进 设 备集 中 于欧 美。内螺纹 磨床的 设计和 制造 正不断优 化，实 现更高的精密 度和生 产效率，以 满足高精 密度零 部件需 求。瑞士 Reishauer 公 司，英 国 公司 HOLROYD，美国公司 DRAKE，意大利 公 司 SMPUTENSILI、英国 MATRIX、德国 ELB-Schliff（旗下磨 床品牌 包括aba 公 司等）公司和 克林贝 格公 司等 都是世 界著名 的数 控螺纹磨 床生产 和研发 厂商，他们的 产品代 表着数控螺纹 磨床的 最高水 平和 发展方向。瑞士 Reishauer 公司设计 研发的 CNC 螺纹 磨床 RG500 作 为典型的数控内 螺纹磨 床广受 机床 行业的关 注。数 控 系 统直 接 影响 磨 床效 率与 精 度。数控性能优劣 直接 影响机床 稳定性 和精度 水平，是磨床 最核心 的零部件。数 控系统 通过计 算机 编程和自 动化控 制，使 得磨 床能够实 现更为 精确和 高效 的加工过 程。通 过精确的数值 控制，磨床能 够在 复杂的几 何形状 和细微 尺寸 要求下进 行加工，实现 更精 细的表面 质量和 更准确的尺寸 控制。德国的 西门 子、日本 的发那 科 和三 菱电 机等占据 数控系 统行业 前沿，在全球 市场份 额领先，国内 企业如华中数控、广州数控也逐渐崭露头角，积极向高 端数控 系统攻 关。从各家海 外磨床 龙头的产品精 度看，日本三 井精 机的 GSE600i 系列内 螺纹 磨床砂轮 最大圆 周速度 可达 1800m/min，工作 台快进速度 可达 25.5m/min，主轴转速 达 100m/min。美 国 Drake 内 螺纹磨 床 DRAKEGS:TI 系 列磨床 配置了发那 科系统，其精 度达 到世界领 先水平，其外 螺纹 数控机床 GS:TE 系列 实现 磨削高精 度，直 接驱动工作头可 提供 弧 秒的分 度精度。15/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 磨 削 主 轴对 整 体磨 床 设备 的磨 削 精 度也 会 产生 重 要影 响。磨削主 轴的旋 转精度 直接 关系到磨 削工具 的运动精度，若主轴 有轴偏 差或 者不稳定，将导 致加工 精度 下降。磨 削主轴 的振动 和震 动会直接 传递到 磨削刀具和工 件上，会导致 表面 质量不均 匀和形 状偏差。主 轴的轴向 刚度对 于在磨 削过 程中保持 一致的 切削深度和切 削力非 常关键。较 低的轴向 刚度可 能导致 加工 过程中的 深度变 化，从 而影 响加工精 度。磨 削主轴的设计 和制造 质量直 接决 定了磨床 的整体 性能和 加工 精度。在 高精度 磨削领 域，采用先进 材料和 精密加工工艺 的主轴 能够显 著提 高磨床的 精度和 稳定性。国 内 磨 床企 业 奋起 直 追，国产 替 代 进程 有 望提 速。丝杠受益人形 机器人 行业蓬 勃发 展，也带 动了国 内磨床行业的 发展。虽然在 内螺 纹磨床结 构、返 向装置 在螺 母内的对 中安装 精度、大螺 旋升角的 干涉、多头内螺纹的 分度精 度等方 面国 内磨床与 国际先 进产品 尚存 在不小差 距，但 磨床在 运作 效率、精 度等方 面也均已取得 一定突 破，存 在一 定国产替 代的基 础。国 内数 控螺纹磨 床的骨 干企业 汉 江 机 床、广 州 敏嘉、上海机床 等自主设计和研 发了 具有世界 先进水 平的内 螺纹 磨削加工 中心，此外 日发精机、华辰装备、浙海德曼 等机床公司也 开始切 入 丝杠磨床 赛道。上海机 床厂 自主开发 的 SK7420 全 新系 列数控丝 杠磨床，可磨削 P1 级甚 至更高 精度的 滚珠丝杠，为我 国高精 度丝 杠副的生 产制造 提供有 效的 设备保障。秦川机床子公司汉江机床 SGK7432 20/1 高 精度数 控丝杠 磨床 磨削精度 能稳定 达到 P1 级。2 滚压成形加工在效率、产 品 一致性和产品使用寿命上 具 备优势。近 年 来滚 压 成 形 方 法 在加 工 齿 轮、螺 纹、花键等方 面取得 了显著 的进 展。滚压 丝杠加 工工艺 中，核心流程 包括毛 坯磨制、精 密轧制、热处理、螺纹滚道抛 光等。轧制丝 杠使 用寿命较 长、机 械化精 度和 强度高，冷成型 技术本 身就 要求高质 量的材 料，高精度的 工艺，经过机 械冷 轧后，滚 道面的 硬度、密度、内部组 织结构 得到强 化，之后进行 热处理，使整个丝杠 的稳定 性更强，延 长了丝杠 的使用 寿命，且冷 轧加工属 冷加工 工艺，故而 能够保证 轧制过 程中钢材的完 整性，对环境 污染 较少。相 较于传 统机加 工，其 优点 在 于：生 产效率 较传 统车削加 工提高 近十倍，尤其 在采用 自动上 下料 机构的情 况下，生产效 率更 为突出；在加工 过程中 能够 实现优良 的尺寸 一致性；而且 表面质 量较高，且 保持相对 稳定。设 备 端：滚 压 机是 滚 压工 艺核 心 设 备。滚压工艺所用设 备包括滚 压机、模具及 其他 辅助设备，其中 滚压机是执行 滚压工 艺的核 心设 备，它通 常包括 滚轮或 滚筒，能够施 加高压 力并旋 转，从而在材 料表面 形成螺纹结构。滚压 机的类 型和 规格会根 据具体 的应用 和工 件要求而 变化。滚压轮 是冷 滚压成形 设备中 最重要的零部 件，它 的几何 形状、尺寸精 度以及 力学性 能直 接决定成 形件的 质量水 平。16/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度|研究报告 新兴行业需求助推滚压工 艺 发展，高精尖滚压装备依 赖 进口。随 着 我国 机 器 人、汽 车 等行 业 的 迅 速发 展，大量的花 键、齿 轮和蜗 杆等 采用了冷 滚压成 形工艺 加工，但高端 的成形 设备主 要依 赖于国外 进口。如Anderson-Cook 公 司的两 滚 压轮径向 滚压设 备，能 加工 出精度 ISO 标准下 67 级 的花键（、m=1.5 和、m=2），同时生产 效率能 达到 15 件/min 左右；美国 Kinefac 公 司推出的 高精密 花键轴三滚压 轮轴向 滚扎设 备，能加工出 精度等 级达到 ISO 标准下 5 级的大 模数花 键（、m=3 和、m=2.5 两种 类型）。此外，PROFIROLL（宝 飞螺）、Osterwalder（奥 斯特瓦德）等均 为先进的滚压机 供应商。内 螺 纹 冷挤 压 塑性 工 艺较 切削 等 工 艺，在 强度、硬度、生 产 效 率、成 本上 具 备优 势。我国研 制的冷 挤压件一般尺 寸精度 可达 8 9 级，仅次 于精抛 光表面。由 于冷挤压 采用金 属材料 冷变 形的冷作 强化 特 性，制件螺纹 强度有 较大提 高，抗拉强度 提高 20%以上，抗 剪强度提 高 5%10%，内 螺纹表面 的冷作 硬化层厚度约 为 0.15mm，硬 度 提高 40%以 上。且 冷挤压 件 材料利用 率通常 可以达 到 80%以上，冷挤压 方法生产机 械零件 的效率 是非 常高的，特别是 生产批 量大 的零件，用冷挤 压方法 生产 可比切削 加工提 高几倍、几十 倍、甚 至百倍。设 备 端：内 螺 纹冷 挤 压设 备美 日 领 先，国 内企 业 加速 替代。美国国民 机械公 司专注 于生产专 用的冷 成形设备，其 FORMAX 系 列的 专用成型 机具 有 2 至 7 个工 位，极高 的效率，每分 钟冲 次可达 100 至 200 次。国内冷成 型 设备 制造领 域已 有所突破，特别 是在冷 锻装 备上，国 内企业 上海 春日机械、思进智能等均在冷锻、冷 挤压等 冷成型 设备 上有所突 破，专 业设计 制造 用于紧固 件和其 它异形 金属 零件成形 用冷镦 机、螺纹搓丝 机等设 备和模 具。思进智能 的多工 位中、高端 冷成形装 备部分 产品实 现了 进口替代，其产 品技术性能处 于国内 同类产 品领 先水平，产品的 部分技 术性 能达到或 接近国 际先进 水平，2023 年 思进智 能已成功研 发出 SJBP-88S 复 杂零件冷 成形机、SJBP-108S 多连 杆精密 零件冷 成形 机、SJBP-138L 及SJBP（H）-168S 精密 智能 冷镦成形 装备等 八工位 系列 机型。17/27 2024 年 4 月 7 日 行业|深度
展开阅读全文