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证券研 究报 告：机械 设备|深度报告 2024 年3 月12 日 市场有风险，投资需谨慎 请 务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强 于大 市|维持 行业基本情况 收盘点位 1399.15 52 周最高 1594.48 52 周最低 1090.08 行业相对指数表现（相对 值）资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:刘卓 SAC 登记编号:S1340522110001 Email:研究助理:傅 昌鑫 SAC 登记编号:S1340123050006 Email:近期研究报告 谐波减 速器 机器 人轻 负载关节的核心传 动部件-2024.02.26 丝杠及 设备 高价值量的 核心传动部件 投 资要 点 丝杠是高价值量的传 动核 心，人形机器 人带来新增 长空间。人形机器人 主要 应用 滚柱 丝杠 及梯形 丝杠，有望 推动 产 品迅速 降本 及市 场规模成 长。单台 人形 机器 人可能 使用 到 4 个梯 形丝 杠及 10 个行 星滚柱丝杠，预 计 2026E/2028E 当人 形机 器人 产量 突破 10/100 万台 时，梯形丝 杠的 增量 市场 规模 为 2.83/29.83 亿 元，行 星滚柱 丝杠 的增 量市场规 模 为104.63/399.63 亿元。梯形丝杠制造工艺较 为简 单，技术水平成熟，但产 品精度及效率较低。滚柱丝杠 性能更优、使用寿命长、体积小，但加工工艺壁垒较高，市场空间有待成长。行星滚 柱丝 杠产 品目 前主 要有五 种形 式，其中 特 斯拉 Optimus 中采 用的 是 反向 式。行 星滚 柱丝杠 主 要集 中于 欧洲、美 国、日本 等，国 内 企业起 步较 为落 后，目前 主要仍 依赖 海外 进口。中 国大 陆厂 商在 产品 布局上 有所 空缺，在 产品 性能上 与海 外头 部厂商仍 有差 距，未来 有望 随着人 形机 器人 产业 链的 国产化，在 实践 中不断进 步。材料端，符合 差异特性要 求的合金调制钢为高 端市 场壁垒。国产丝杠原 材料 与国 外同 类产 品性能 存在 差距，特种 钢 质量及 产能 或成 为瓶颈；加工端，螺纹加工 的精度决定产品最终 品质。螺 纹滚 柱是 传动的关键部分，成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠的性能，螺 纹切 割的 精度 和表 面热处 理的 退火 工艺 为加 工难点；服务端，售后故障类型复杂、配套 装配及检修服务不完 备。制造设备厂商存在发 展机 遇。一）精密磨床：制造 高精度丝杠产品的关键设备。磨 削 加工 精度极 高，显 著优 于车、铣等。我 国磨 床进出口贸 易逆 差呈 现逐 年缩 小态势。德 国、日 本等 在 高端磨 床领 域掌 握话语权，国内 厂商 产品 主 要偏中 低端，市场 占有 率 较低。二）冷锻设备：降本增效的 金属冷成 型新工艺。冷 锻 是一 种在 常温下 施加 压力 来改变金 属材 料形 状的 金属 加工方 法。目 前冷 锻已 经在 汽车、航 空航 天、石油天 然气 等领 域得 以应 用。冷 锻技 术的 主要 优势 在于高 强度、优 异的表面 质量、节约 能源、提高材 料的 机械 性能。冷 锻工艺 可以 替代 行星滚柱 丝杠 制造 过程 中粗 加工的 车铣 削环 节，从而 实现降 本增 效。冷锻成形 技术 整体 供应 链涉 及材料、模 具、设备、产 品全流 程，未来 随着通用 人形 机器 人所 需丝 杠拉动 需求 后，能够 快 速 转化出 产能 的设 备公司有 望深 度受 益。三）旋风铣床：旋风硬铣工艺 兼顾加工效率及产品精度。旋 风硬 铣削 具备 诸多相 较于 传统 切削 加工 的优势，甚至 能够一定程 度替 代磨 削加 工。减少切 削产 生的 热量，提 高加工 精度 与表 面质量，提高 切削 速度，提高 生产率，降 低加 工成 本，代 替电火 花加 工、磨削加 工工 艺。旋 风硬 铣 削技术 早期 在国 外发 展，逐步引 入国 内，实现了对 于加 工效 率及 产品 精度的 兼顾。-30%-27%-24%-21%-18%-15%-12%-9%-6%-3%0%3%2023-03 2023-05 2023-08 2023-10 2023-12 2024-03机械设备 沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 产业链相关标的：秦川机床、贝斯特、恒立 液压、鼎智科技、五洲新 春、华辰装备、日发精机、宇环数控、浙 海德曼、沃尔德、国 机精 工 风 险提 示：人形机 器人 规模 化不 及预 期风险；行星 滚柱 丝杠 降 本不达 预期 风险；人 形机 器人 产业 竞争 加剧风 险；生产 设备 技术 突破受 阻风 险。YWEVuNmRmPnMpRpMmRtMoPbRcM6MtRrRpNsOlOqQtQfQmNsOaQoOwPMYnOrMNZnNqQ 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 目录 1 丝杠 人 形 机 器人 高价值 量 的 传动 核 心.5 1.1 人 形 机器 人 带来 丝 杠新增 长 空 间.5 1.2 梯 形 丝杠 和 滚柱 丝 杠.6 1.3 行 星 滚柱 丝 杠市 场 格局及 行 业 规模.9 2 行 星 滚柱 丝 杠的 生 产制 造壁 垒：加工 工 艺是 重 难点.11 2.1 材 料 端，符 合差 异 特性要 求 的 合金 调 制钢 为 高端 市场 壁 垒.11 2.2 加 工 端，螺 纹加 工 的精度 决 定 产品 最 终品 质.12 2.3 服 务 端，售 后故 障 类型复 杂、配套 装 配及 检 修服 务不 完 备.14 3 制 造 设备 厂 商存 在 发展 机遇.14 3.1 精 密 磨床：制造 高 精度丝 杠 产 品的 关 键设 备.15 3.2 冷 锻 设备：降本 增 效的金 属 冷 成型 新 工艺.18 3.3 旋 风 铣床：旋风 硬 铣工艺 兼 顾 加工 效 率及 产 品精 度.20 4 产 业 链相 关 标的.22 5 风 险 提示.27 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 图表目 录 图表1：丝杠在人形机 器 人上的应用.5 图表2：2024E-2030E 人 形机器人市场对丝杠 产品 需求空间预测.6 图表3：梯形丝杠和滚 柱 丝杠产品对比.6 图表4：梯形丝杠实物 图.7 图表5：30 度梯形丝杠的 螺纹形状示意图.7 图表6：行星滚柱丝杠 外 观及内部结构图示.8 图表7：常见行星滚柱 丝 杠类型的技术参数.8 图表8：全球代表性行 星 滚柱丝杠企业区域图.9 图表9：2022 年国内行星 滚柱丝杠市场格局.10 图表10：2019-2023E 全 球滚柱丝杠市场规模（亿 美元）.10 图表11：全代表性行星 滚柱丝杠企业及其产 品.11 图表12：行星滚柱丝杠 加工工序.12 图表13：精密行星滚柱 丝杠副行程误差的影 响因 素.13 图表14：行星滚柱丝杠 不同部位热处理方法.14 图表15：磨床的细分种 类及作用.15 图表16：各类机加工能 够达到的公差精度等 级.16 图表17：磨削加工的等 级、参数和适用情况.16 图表18：2020-2023 年我国磨床产品进口额（亿元）.17 图表19：2020-2023 年我国磨床产品出口额（亿元）.17 图表20：磨床行业竞争 格局情况.17 图表21：滚柱冷滚压成 形过程.19 图表22：螺纹平均生产 率对比曲线.19 图表23：冷锻工艺产业 链相关上市公司.20 图表24：旋风硬铣削加 工原理图.21 图表25：旋风铣床结构 示意图.21 图表26：汉江机床厂自 主研发的 HJO92 旋风机床.22 图表27：高刚度精密定 位旋风铣刀盘.22 图表28：秦川机床子公 司汉江机床可提供多 种滚 动功能部件设备，螺 纹磨 床领域技术强劲.23 图表29：华辰装备官网 展示的精密螺纹磨床 系列 产品.24 图表30：五轴数控多面 磨削（抛光）机.26 图表31：数控定梁龙门 导轨磨床.26 请务必阅读正文之后的免责条款部分 5 1 丝杠 人形机器人高价 值量的传动核心 1.1 人 形机 器人 带 来丝 杠新增 长空 间 丝杠是将旋转运动转 换成 线性运动，或将扭矩 转换成 轴向反复作用力的传 动零件，同时兼具 高精度、可逆性和高效率的特 点。其广泛 应用 于数 控机 床、制造设备、机 器人、精密 仪器 等领域 的传 动控 制系 统之 中。根据 摩擦 特性 不同，可 以将丝杠 分为 滑动 丝杠、滚 动丝杠 和静 压丝 杠，其中 滚动丝 杠又 可分 为滚 珠丝 杠 和滚柱丝 杠。人形机器人带来丝杠 的新 增长空间。丝 杠 产品 在原 有数控 机床、设备、航空航天等 领域 已经 得到 广泛 应用，而在 人形 机器 人中 也有不 少厂 商采 取了 包含 丝 杠的执行 器方 案。特斯 拉 Optimus 全身 14 个线 性执 行 器中，小臂 部分 安装 的 4 个应用梯 形丝 杠，其余 均使 用滚柱 丝杠。其 他如 上海 开普勒 探索 机器 人有 限公 司 推出的先 行者 系列 产品，同 样采用 了自 研的 行星 滚柱 丝杠执 行器。图表1：丝 杠 在 人形 机 器人 上 的应 用 资料来源：Tesla AI Day 2022，中邮证券研究 所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 6 人形机器人主要应用 滚柱 丝杠及梯形丝杠，有 望推动 产品迅速降本及市场 规模成长。我 们大 致估 计单 台人形 机器 人可 能搭 载 14 个线性 执行 器，其中 需要 使用到 4 个 梯形丝 杠及 10 个行星 滚柱 丝杠，后 续可 能随着 人形 机器 人规 模上 量、降本需 求进 一步 提升 而减 少 单台 使 用 量，对于 手臂 区域，可能 考虑 使用2 个梯形丝杠在 负载 及精 度要 求较 低的手 肘部 替换 原本 的滚 柱丝杠 方案，进 一步 降低 成 本。结合此 前系 列报 告中 对于 人形机 器人 总需 求的 预测 数据，可得 人形 机器 人量 产 后有望推动 两 类丝 杠 产 品迅 速降本 及市 场规 模成 长，预计 2026E/2028E 当人形机 器人产量突破10/100 万台时，梯形丝杠的增量 市场规 模为 2.83/29.83 亿元，行星滚柱丝杠 的增量市场 规模 为 104.63/399.63 亿元。图表2：2024E-2030E 人形 机 器人 市场 对 丝 杠产 品 需求 空 间预测 资料来源：中邮 证券研 究所 1.2 梯 形丝 杠 和滚 柱丝 杠 梯 形 丝 杆 和 滚 柱 丝 杠 是 未 来 有 可 能 应 用 在 主 流 通 用 人 形 机 器 人 上 的 两 种 产品，针 对两 者差 异可 以简 单梳理 成以 下表 格：图表3：梯 形 丝 杠和 滚 柱丝 杠 产品 对比 梯形丝杠 滚柱丝杠 传动效率 低，仅 24%-26%较高，摩 擦力较 小时可 达 90%摩擦 滑动摩擦 发热严 重，一 般转 速不超过3000RPS 线接触滚 动摩擦 热效应 小且 承载力强，转速 可达6000RPS 导程精度 低，品质 参差不 齐 高，可通 过调整 螺纹头 数等 因嘉使导 程达到 微米级 使用寿命 短，滑动 摩擦对 元器件 的损 伤大 很长，显 著高于 滚珠丝 杠，荷载运动 可达 1000 万次以上 传动精度 难以实现 微进给，存在 爬行 现象，螺 纹间有侧向间隙，反向 时有空 行程 传动无间 隙，无 爬行，运转 平稳，传 动精度 高 2024E 2025E 2026E 2027E 2028E 2029E 2030E 1.00 2.30 10.90 58.86 106.19 188.55 362.16 0.0126 0.0286 0.1340 0.7154 1.2761 2.2401 4.2547 800 720 648 551 468 398 338 4 4 4 6 6 6 6 3200 2880 2592 3305 2809 2388 2030 15000 12000 9600 6720 4704 3763 3011 10 10 10 8 8 8 8 150000 120000 96000 53760 37632 30106 24084 0.32 0.66 2.83 19.45 29.83 45.02 73.50 15.00 27.56 104.63 316.41 399.63 567.65 872.24 请务必阅读正文之后的免责条款部分 7 价格区间 几百到上 千，有 定制化 需求 会 更 高 全球头部 公司产 品单价 在 1-2 万 国产化率 充分 处于起步 阶段 应用领域 普通机床 和升降 机等工 业设 备 汽车、石 油天然 气、医 疗器 械到光学 仪器、工程机械、机器 人、自 动化和 机床 设备等高 端场景 资料来源：观研 天下，机 械设计手 册第 六版（成大 先），米思米，供应 商网，中邮证券 研究所 梯形丝杠制造工艺较 为简 单，技术水平成熟，但产 品精度及效率较低。梯形丝杠是一种滑动丝杠，应用于 滑动丝杠的螺纹通常为梯形、锯齿形及矩形三种，梯形丝 杠应 用最 广（常见 标准型 为 30 度 梯形 丝杠），锯齿 形主 要用 于单 向受 力，矩形螺 纹虽 然在 滑动 丝杠 中传动 效率 相对 较高，单 加工较 困难 且强 度较 低，应 用较少。梯形 丝杠 主要 用于 传动和 位置 调整 装置 中，虽然有 摩擦 力较 大、传动 效率较低、相 对磨 损较 快等 缺 点，但同时 又 具有 成本 低、承 载力 大、结 构紧 凑简 单能够自锁 等优 点，故而 广泛 应用于 各种 普通 机床 和升 降机等 工业 设备。图表4：梯 形 丝 杠实 物 图 图表5：30 度梯 形 丝杠 的 螺纹 形 状 示意图 资料来源：博特 精工，中邮 证券研究 所 资料来源：上隆 自动化 零件 商城，中 邮证券 研究所 梯形丝杠的 加工工艺原本主要采用车 削加工，工艺路线为:冷拔滚花 车螺纹 校正钻孔切断 倒角，整体技术简单，工艺路线成熟，但 效率较低、成本较 高，且 由于 材料 刚 度低，车 削、滚花 时易 变 形，小号 螺轮 无法 生产。目前多使用 旋风 铣削 工艺 代替 车削工 艺，将铣 丝、滚 花 一次性 完成，工 艺路 线变 为 冷拔滚 花、铣丝 校正 钻 孔、切 断 倒角，改进 后减 少了由 切削 力引 起的 振动，表面粗 糙度 也减 小了。滚柱丝杠性能更优、使用 寿命长、体积小，但加工 工艺壁垒较高，市 场空间有待成长。行 星滚 柱丝 杠 是将旋 转运 动转 化为 直线 运动，传动 单元 为丝 杠及 螺母之间的 滚柱，与 滚珠 丝杠 的主要 区别 是负 载的 传递 单元使 用螺 纹滚 柱而 不是 滚 珠。区别于滚珠丝杠：1）行星滚柱丝杠由于高数量的接触点，能够承受更高的静态负载和 动态 负载，静载 为 滚珠丝 杠 的3 倍，寿命 为 滚珠丝 杠 的 15 倍；2）大 量的接 触 点 和 接 触 点 的 几 何 结 构 使 行 星 丝 杠 比 滚 珠 丝 杠 具 有 更 强 的 刚 度 和 抗 冲 击 能 请务必阅读正文之后的免责条款部分 8 力，同时 也可 以提 供更 高 的转速 及更 大的 加速 度；3）行 星滚 柱丝 杠为 螺纹 传 动，螺距设 计范 围更 广，行 星滚 柱丝杠 的导 程可 以设 计的 比滚珠 丝杠 更小。总的来说，行星滚柱丝杠与滚珠 丝杠 结构近似，在将传力元 件 替换为螺纹滚柱之后，其 在传动平稳性、负载能力、转 速及加速度、寿命等 性能 方面更具备优势。图表6：行 星 滚 柱丝 杠 外观 及 内部 结构 图 示 资料来源：EWELLIX（左），苏州卓昱 创想（右），中邮 证券研究 所 行星滚柱丝杠产品目 前主 要有五种形式，其中特斯 拉 Optimus 中采用的是反向式。五 种形 式分 别为 标 准式、反 向式、循环 式、差动式 和轴 承环 式。标 准 式行星滚柱 丝杠 是一 种高 精度 大负载 的设 计，可以 提供 非常稳 定的 驱动 扭矩，丝 杠 多应用于 大负 载，高速 及高 加速度 应用；反 向式 行星 滚柱丝 杠，滚柱 不沿 丝杠 进行轴向运 动，其行 程运 动是 在 螺母的 内螺 纹，通过 较小 的 导程实 现更 高的 额定 负载，从而降 低驱 动扭 矩，使直 接 导向成 为可 能；循环 式行 星 滚柱丝 杠是 循环 滚柱 设计，滚柱是 导向 在一 个托 架中，其运 动方 式由 一套 凸轮 来控制，适 用于 高精 度、中低速运行；差 动式 行星 滚柱 丝杠最 大的 特点 是具 备差 动运动，可 以获 得比 一般 行 星滚柱丝 杠更 小的 导程，更 适应高 速重 载的 工作 场合；轴承 环式 行星 滚柱 丝杠 与 循环式相 同，为 环槽 结构，相比于 标准 式其 螺母 上去 掉了内 齿圈，增加 了壳 体、端盖及推 力圆 柱滚 子轴 承等 部件，推力 圆柱 滚子 轴承 大大提 高承 载能 力的 同时 也 减小了各 构件 间的 磨损，增 大了传 动效 率。各类 型产 品 具体 参数 情况 如下 表：图表7：常 见 行 星滚 柱 丝杠 类 型 的 技术 参 数 标 准 式 行星 滚 柱丝 杠 反 向 式 行星 滚 柱丝 杠 循 环 式 行星 滚 柱丝 杠 差 动 式 行星 滚 柱丝 杠 规格 3.5x1 92x36(丝杠中径 x 导程)10.5x2 80 x16(丝杠中径 x 导程)8x0.25 125x5(丝杠中径 x 导程)5x0.8 110 x2.36(丝杠中径 x 导程)效率 80%-90%70%-90%60%-80%60%-70%导程精度 G1，G3，G5(每 315mm 行程导程精度：6um，12um，23um)G1，G3，G5(每 315mm 行程导程精度：6um，12um，23um)G1，G3，G5(每 315mm 行程导程精度：6um，12um，23um)T3，T5，T7(每 315mm 行程导程精度：12um，23um，52um)请务必阅读正文之后的免责条款部分 9 承载 静态承载：8.4KN-1898KN 动态承载：3.9KN-709KN 静态承载：20.8KN-1225KN 动态承载：13.4KN-559KN 静态承载：14.3KN-3972KN 动态承载：7.3KN-986KN 静态承载：1OKN-1300KN 动态承载：8KN-550KN 转速 最高可达12000 转/分 最高可达10000 转/分 最高可达 10000 转/分 最高可达 14000 转/分 轴向间隙 0.02mm 0.02mm 0.02mm-0.01mm(过盈预紧)资料来源：新剑 传动，中邮 证券研究 所 1.3 行 星滚 柱 丝杠 市场 格局 及 行业 规模 行星滚柱丝杠主要集 中于 欧洲、美国、日本等，国 内企业起步较为落后，目前主要仍依赖海外进 口。全球代 表性 的行 星滚 柱丝 杠企业 主要 分布 在欧 洲的 德 国、瑞 士、瑞典 等地，例如德国 的 Ewellix（目前 为 Schaeffler 子公 司）、瑞士的GSA/Rollvis 等，美国 企 业主要 有 CMC、Moog，日 本企业 主要 有 NSK、THK 两 家，国内则 是 以HIWIN、南京 工艺、博特 精工 等。图表8：全 球 代 表性 行 星滚 柱 丝杠 企业 区 域 图 资料来源：前瞻 产业研 究院，中邮证 券研究 所 根据前 瞻产 业研 究院 引用 的 E 公 司滚 柱丝 杠产 品营 销策略 研究（王 有雪）数据，2022 年 国外 行星 滚 柱丝杠 龙 头 制造 商Rollvis、GSA 及 Ewellix 在中国市场的份 额占 比分 别 为26%、26%、14%，中 国本 土行 星滚柱 丝杠 厂商 合计 市场 份 额占比 为 19%，其 中以 南京 工艺、博特 精工 为代 表，市场份 额均 为 8%，除此之外，请务必阅读正文之后的免责条款部分 10 美国 Moog、英 国PowerJacks 等 厂商 也具 备生 产滚 柱 丝杠的 能力。中国大陆厂商在产品性能上与海外 头部 厂商仍有差距，未来有望 通 过提升产品性能提高 市占 率。图表9：2022 年国 内 行星 滚 柱丝 杠市 场 格局 资料来源：E 公 司滚柱 丝杠 产品营销 策略研 究（王有 雪），中邮证 券研究 所 受限于制造工艺难度 高，生产设备及原有市场 需求 有限，全球滚柱丝杠市场规模仅有近 3 亿美元。根据 根据 Persistence Market Research 的统 计数 据，2022 年全球 滚 柱丝 杠市 场 规模约为 2.85 亿美 元，预 计 2023 年 增长 至3.03 亿美元，后续随着滚柱丝杠导 入人形机器人产业链，市 场规模有望 大幅提升。图表10：2019-2023E 全球 滚 柱丝 杠市 场 规 模（亿 美元）资料来源：Persistence Market Research，中邮证券研究所 备注：2021 年数据缺失 请务必阅读正文之后的免责条款部分 11 国内行星滚柱丝杠厂 商产 品布局有所空缺，性 能方面 与国外同规格产品存 在一定差距。1942 年 瑞典 发 明家 Carl Bruno Strandgren 申 请了 循环 式滚 柱丝 杠的专利，1954 年 他又 申请 了标准 式和 反向 式行 星滚 柱丝杠 的专 利，从那 以后，行星滚柱 丝杠 产品 就在 国外 市场逐 步得 到发 展。国内 厂商整 体起 步较 晚，目前 已 有后进者 能够 小规 模生 产，但性能 参数 方面 与国 外产 品存在 一定 差距。未来随着 人形机器人产业链的国 产化，国内行星滚柱丝杠 厂商 有望在实践中不断进 步。图表11：全 代 表 性行 星 滚柱 丝 杠企 业 及其产品 mm mm Ewellix G1-G5 8-240 2-50 3994kN 23387kN 18-48 2.4-6 259kN 559kN 8-125 1-5 756kN 2270kN Rollvis G1-G5 3.5-210 15-440 1-50 107kN 30 5mm 224.7kN 30 5mm Rexroth T5/T7/T9 15-75 5-20 30.6-61.5 97-180 106kN 30 5mm 174kN 30 5mm G3-G5 24-63 48-118 2-10 资料来源：Ewellix，立鼎产业 研究 院，中 邮证券 研究 所 2 行星滚 柱丝杠的生产制造 壁垒：加工工艺是 重 难点 2.1 材 料端，符合 差异 特性要 求的 合金调 制钢 为高端 市场 壁垒 行星滚柱丝杠采用的 钢材 特性差异大，符合差 异特性 要求的合金调制钢为 高端市场壁垒。国 内标 准行 星滚柱 丝杠 材料 绝大 部分 采用马 氏体 不锈 钢，满足 一 般性强度、硬 度和 耐磨 性要 求，但 高硬 度与 抗腐 蚀度 难以同 时达 成：而国 外厂 商以合金调 制钢 为原 材料，具 备较高 的疲 劳极 限和 抗多 次冲击 能力，以 及良 好的 低 温冲击韧 性。请务必阅读正文之后的免责条款部分 12 国产丝杠原材料与国 外同 类产品性能存在差距，特种 钢质量及产能或成为 瓶颈。据世 界钢 铁 统 计数 据 2022 年 度调 查，中国 大陆 粗钢产 量 101.3 千 万吨，维持全球 产量 首位，但 同年 特种钢 进口 数据 达到 了 850 多万 吨，说明 了 我 国在 特 定场景所 需的 特种 钢上 无法 自给自 足。根据 国产 Cr/Mo 钢 滚珠 丝杠 与国 外同 类 产品的质 量分 析（丁 震，王 倩等）分析 可知，国产 Cr/Mo 钢 滚珠 丝杠 与国 外同 类滚珠丝杠的显微组织对比可知,国产丝杠 存在的带状偏析组织，是造成产品使用性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性,并且容易造成在变形过程中的应力 集中，甚 至出 现裂 纹。严 重的 带状 组织 往往 伴随着 品粒 尺寸 的不 均匀，导致各部 位的 性能 不一 致，在发生 变形 时容 易在 品粒 粗大的、脆 弱的 部位 首先 形 成微裂纹，从而导致断裂。因此,带状组织是脆弱的部位,是裂纹萌生的敏感区域，有利于 裂纹 的形 成及 扩展,带状组 织越 严重,对 塑韧 性 的危害 就越 大。此外，带状组织还 会降 低钢 的力 学性 能、切 削性 能和 淬透 性，使零件 淬火 变形 倾向 增大，强韧性降 低。2.2 加 工端，螺纹 加工 的精度 决定 产品最 终品 质 图表12：行 星 滚 柱丝 杠 加工 工 序 1 13 2 14 3 15 4 16 5 17 6 18 7 19 8 20 9 21 10 22 11 23 12 资料来源：精密行 星滚柱 丝杠副工 艺制造 与传动 性能 研究（郑伟），中邮证 券研究所 螺纹滚柱是传动的关 键部 分，成形加工工艺和 产品质 量直接决定行星滚柱 丝杠的性能。当 行星 滚柱 丝 杠传动 机构 工作 时，多 个 螺纹滚 柱共 同承 受载 荷，避免任何一 个螺 纹滚 柱因 承载 过大而 造成 损伤 失效。螺 纹滚柱 作为 行星 滚柱 丝杠 传 动机构的 关键 部分，其 成形 加工工 艺和 产品 质量 直接 决定行 星滚 柱丝 杠传 动机 构 的装配质量和性能。目前行星滚柱丝杠螺纹 加工包含滚压法（属于锻压，含搓丝/滚丝）和切 削法（含车 削/铣削/磨削 等）的 方式，具 体而言，车 削、铣 削、滚压 请务必阅读正文之后的免责条款部分 13 等一般 用在 前 半 粗加 工部分，精 加工 部分 则基 本上 无法避 开磨 削的 环节，除 了 使用旋风 硬铣 削加 工技 术以 整体代 替切 削+磨削 的路 径。行星滚柱丝杠制造精 度要 求高，螺纹切割 的精 度 和表 面热处理的 退火工艺 为加工难点。丝杠 螺纹 的 加 工技术 主要 分 为 两种，一 种 是热 加工 粗坯 件后 先用 车 削和铣削 进行 粗加 工，之后 应 用磨 床磨 削至 尺寸 和精 度要求。由 于热 处理 后丝 杠 硬度高，该方 法的 难点 在于 螺纹切割，报废 率高 将影 响整体 生产 进度；另 一种 则 是采用冷轧 工 艺直 接将 粗坯 件加工 至一 定精 度。一、丝杠精度 行星滚柱丝杠副是通 过螺 纹啮合来实现精密传 动，因 此滚道表面粗糙度宜 采用较高精度等级。同 时，行星齿 轮的 齿形 较小，为 了保证 行星 滚柱 丝杠 副的 装配精度，齿轮 副也 应采 用较 高加工 精度 等级。能 够影 响到 精 密行 星滚 柱丝 杠副 行 程误差的 因素 主要 有下 图中 几点：图表13：精 密 行 星滚 柱 丝杠 副 行程 误差 的 影响 因素 资料来源：精密行 星滚柱 丝杠副行 程误差 影响因 素试 验研究（郑 伟），中邮 证券研究所 根据精密行星滚 柱丝杠副行程误差影响因 素试验研究（郑伟）中的对 比分析可知，加工工艺水平 及 安装精度对行星滚柱 丝杠 的行程误差指标有着 重要 影响。其 中制 造环 节包 括螺 纹螺距、螺纹 牙型、齿轮 齿距、齿 轮齿 廓、制 造偏 心等误差，行星 滚柱 丝杠 的性 能需求 对制 造提 出了 非常 高的精 度条件。磨削 是高 精 度 请务必阅读正文之后的免责条款部分 14 丝杠螺 纹的 主要 加工 方法，磨削 的实 质是 砂轮 的表 面很多 磨粒 划擦、刻 划和 切 削工件表 面，使用 螺纹 磨床 高速旋 转的 成型 砂轮 对加 工工件 表面 进行 高速 切削，进而获得更高的精度，而磨削加工中最关键的设备就是提升丝杠精度的螺纹磨床。二、表面热处理 热处理的作用是改善 行星 滚柱丝杠副各零件的 材料 性能、切削性能以及 消除残余应力。热 处理 工艺 可 分为两 大类：预备 热处 理 和最终 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 以及 为最 终热处 理做 准备，主 要工 艺 包括调质、退火、正火、时 效处理 等；最 终热 处理 的 作用是 提高 螺纹 的表 面硬 度以及耐磨 性。图表14：行 星 滚 柱丝 杠 不同 部 位热 处理 方 法 1.5-2.0mm 1.0-1.4mm HB235 HV600 0.4-0.5mm 资料来源：精密行 星滚柱 丝杠副工 艺制造 与传动 性能 研究（郑伟），中邮证 券研究所 由于技 术设 备落 后、热 处理 工艺参 数选 择不 当等 原因，导致热 处理 质量 较差、热处理 后变 形较 大，行星滚柱丝杠副的主要损 坏形 式是接触疲劳磨损，不当 的热处理工艺会使得其寿 命降 低。2.3 服 务端，售后 故障 类型复 杂、配套装 配及 检修服 务不 完备 行星滚柱丝杠制造精 密程 度高，故障类型 复杂，配 套的装配、检修 服务需及时到位。行星 滚柱 丝杠 传动 系统在 机器 中的 使用 非常 频繁，其 出现 定位 精度 下降、轴承磨 损、噪音 过大 等故 障时需 要及 时修 复。然而，行星 滚柱 丝杠 制造 精密 程度高、加 工技 术难 度大，非 专业人 士很 难正 确地 判断 故障原 因并 完成 维护。这 要求行星滚柱丝杠厂家提供可靠的装配、售后服务，并逐渐积累信用形成品牌效应。3 制造设备 厂商存在 发展机遇 通过梳 理行 星滚 柱丝 杠的 加工工 序流 程，我们 可以 大致归 纳出 目前 可行 的 三条加工制造路径，一是车铣削（粗加工）+磨削（精加工），二是 冷锻（粗加工）+磨削（精加工），三是在形状、精度要求不太高时，使用旋风铣工艺加工全程。请务必阅读正文之后的免责条款部分 15 其中，车铣 磨的 路径 是滚 柱丝杠 的传 统生 产方 式，磨 削基 本上 是产品 精 度要 求 较高的情 况下 必定 需要 的步 骤，而 冷锻 和旋 风铣 工艺 则是 迅 速降 本增 效的 市场 要 求下产生 的新 可能 性。3.1 精 密磨 床：制 造高 精度丝 杠产 品的关 键设 备 磨床是利用磨具对工 件表 面进行磨削加工的机 床。多 数的磨 床是 使用 高速 旋转的砂 轮进 行磨 削加 工，少 数会使 用油 石、砂带 等其 他 磨具和 游离 磨料 进行 加工，如珩磨 机、超 精加 工机 床、砂 带磨 床、研 磨机 和抛 光机等。磨床 可以 加工 内 外圆柱面、圆 锥面、平 面、齿 轮齿廊 面、螺 旋面 及各 种 成型面 等各 种表 面，还 可 以刃磨刀具 和切 断，支持 多种 类型的 工艺。磨 削加 工的 加工精 度比 较高，主 要用 于零件精加 工，尤其 是淬 硬钢 件和高 硬度 特殊 材料 的精 加工。图表15：磨 床 的 细分 种 类及 作 用 资料来源：中邮 证券研 究所 磨削 加工精度 极高，显著优于 车、铣等。磨削通常 用于半精加工和精加工,精度可 达IT8IT5 甚 至更 高，表面 粗糙 度一 般磨 削 为 1.250.16 m。其中，精密磨削表 面粗 糙度 为 0.160.04 m；超精 密磨 削表 面粗 糙度为 0.040.01 m；镜面磨削表 面粗 糙度 可 达0.01 m 以下。请务必阅读正文之后的免责条款部分 16 图表16：各 类 机 加工 能 够达 到 的公 差精 度 等 级 资料来源：金属 加工公 众号，中邮证 券研究 所 磨削加工一般分为普 通磨 削、精密磨削、高精 密磨 削和超精密磨削。精密磨削依靠 精密 磨床 的精 度来 保证，主要 是通 过对 砂轮 的精细 修整，最 终实 现极 低 的表面粗 糙度 和极 高的 精度 要求。超精密磨削的最大 特点是高精密、高效率及 低 成本。图表17：磨 削 加 工的 等 级、参 数和 适用 情 况 资料来源：磨料、磨具与 磨削技术（第 2 版）（李伯 民），中邮证 券研究 所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 17 我国磨床进出口贸易 逆差 呈现逐年缩小态势，但总体 进出口价值量差距仍 较大。根据 中国 海关 总署 统 计数据，中 国磨 床进 口额 从 2020 年的 58.42 亿 元 下降至 2023 年的 55.87 亿元，同时 中国 磨床 出口 额 从 2020 年的 18.54 亿元 上升 至2023 年的 27.66 亿 元，期 间贸易 逆差 缩小 了 11.67 亿元。可以 看出，我 国原 本 高度依赖 国外 数控 磨床 产品，目前 国产 替代 进程 已经 在提速 中，未来 将会 从各 个 核心部件 自给 能力 上逐 个突 破。中国 制造2025 也 明确提 出“到2025 年，70%的核心基 础零 部件、关 键基 础材料 实现 自主 保障；加 快高档 数控 机床、增 材制 造等前沿技 术和 装备 的研 发；组织实 施高 档数 控机 床等 一批创 新和 产业 化专 项、重 大工程”。图表18：2020-2023 年我 国 磨床 产 品进 口 额（亿 元）图表19：2020-2023 年我 国 磨床 产 品出 口 额（亿 元）资料来源：中国 海关总 署，中邮证券 研究所 资料来源：中国 海关总 署，中邮证券 研究所 德国、日本等在 高端磨床 领域掌握话语权，国内厂 商产品主要偏中低端，市场占有率较低。在 磨 床领 域，德国、日 本等 老牌 发 达国家 起步 较早，技 术水 平和经验积 累丰 富，产 品附 加 值较高，主要 面向 航空 航 天、汽车 等下 游领 域；国 内厂商一部 分是 原有 的磨 床制 造国有 企业 改制 重组 而来，规模 及实 力都 领先 于国 内 后进者；国内 另一 部分 是从 市场经 济带 来对 数控 机床 需求的 增长 之后，快 速入 局 发展的民 营数 控磨 床企 业。图表20：磨 床 行 业竞 争 格局 情 况 KorberSchleifring Emag JTEKT Rollomatic 资料来源：中邮 证券研 究所 请务必阅读正文之后的免责条款部分 18 未来随 着人 形机 器人 投入 首批量 产潮，考 虑到 人形 机器人 所能 达到 的规 模 数量，对 于丝 杠产 品的 需求 将被极 大幅 度地 拉动，而 在制造 高精 度丝 杠产 品中 必 不可少、本身 也价 格不 菲的 精密磨 床，其需 求也 将同 步增长。未来磨床行业的 领先厂商有望享受到通用 人形 机器人发展的时代红 利。3.2 冷 锻设 备：降 本增 效的金 属冷 成型新 工艺 冷锻是一种在常温下 施加 压力来改变金属材料 形状 的金属加工方法。与热锻相比，冷锻 不需 要对 金属 材料进 行加 热处 理，因此 能够保 持材 料的 晶粒 细小 和 原有的力 学性 能。冷锻 的原 理是通 过将 金属 材料 置于 常温下，施 加巨 大的 压力 来 使其发生 塑性 变形，从而 改 变其形 状。冷 锻过 程中，金属材 料受 到压 力的 作用，其晶粒受 到严 重变 形和 重新 排列，从而 使材 料的 强度 得到提 高。目前冷锻 已经在汽车、航空航天、石油天然气等领域得以应 用。通过冷锻，可以制 造高 强度 的汽 车零 部件，如 曲轴、齿轮、传 动轴等。这些 零部 件对 于 汽车的可靠 性和 安全 性至 关重 要，冷 锻能 够提 供所 需的 高强度 和精 度；航空 发动 机 的叶片、涡轮 盘等 关键 部件 需 要具备 高强 度和 高耐 热性 能，冷 锻能 够满 足这 些要 求，并提供 出色 的材 料性 能；石油天 然气 领域 的工 作环 境恶劣，对 材料 的耐 腐蚀 性 和高强度 要求 较高，冷 锻能 够满足 这些 要求。冷锻技术的主要优势 在于：1）高强度：冷 锻可 以提 供高 强度的 金属 材料，使 其具 备更好 的抗 拉强 度 和抗疲劳 性能。2）优异的表面质量：冷 锻能 够提供 较好 的表 面质 量，减少后 续加 工的 需求。3）节约能源：与 热锻 相比，冷锻不 需要 加热 材料，能 够节约 能源 消耗。4）提高材料的机械性能：冷 锻过程 中，金属 材料 的晶 粒受到 严重 变形 和 重新排列，使 其机 械性 能得 到提高。但同时，冷锻 需要 具备 高 压力和 高精 度的 设备，投 资成本 较高，且工 艺涉 及多项
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