2024年丝杠加工设备行业投资分析报告
一、丝杠加工工艺及核心设备
（一）滚珠/柱丝杠加工工艺过程
磨削为精密丝杠的主要加工方式，核心工序包括螺纹加工、丝杠校直及热处理。丝杠的加工方式有磨削和冷轧两种，两者区别在于丝杠的加工，螺母加工都是用磨削工艺。磨削是利用高速旋转的磨具或磨料切除工件表面多余材料的加工方法，属于精加工方式，精度等级可达C5级甚至更高，缺点是生产效率低，工艺周期约为30-50天，且制造成本高。冷轧即滚压成形，相比磨削生产效率更高，工艺周期约为1-3天，但制成的丝杠精度一般只有C7或C10级，适合于大批量生产。生产精密滚珠/柱丝杠的常用方法为“粗车+精磨”，包括从毛坯下料到装配入库共二十多道工序。无论丝杠或螺母都要经过切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，切削加工工序安排遵循“先粗后精”“基面先行”和“先主后次”的一般原则。
1、螺纹加工常见的螺纹加工方法有滚压加工和切削加工两大类。螺纹滚压是基于塑性变形原理，使用成形模具挤压工件以获得螺纹的方法，根据模具不同可分为搓丝和滚丝两种。切削加工所获得的金属纤维是断开的，而滚压加工能产生连续的金属纤维，因而加工表面光洁度好、硬度和强度高，其生产效率也高出切削加工数倍或几十倍，是适合于对精度要求不高的梯形丝杠的一种经济高效的加工方式。但是滚压成形方法对材料硬度、材料脆性、螺纹孔形状和外径等的要求较高，使用范围受到很大限制。螺纹切削是利用成形刀具或磨具在工件表面加工出螺纹的方法，包括车削、磨削、铣削、攻丝以及套丝。车削、磨削、铣削属于机械加工范畴，生产自动化程度较高、产品一致性较好，一般而言加工精度：磨削>铣削>车削，加工效率则反之。攻丝和套丝一般为手工操作，加工质量既取决于丝锥或板牙的精度，也依赖于工人的熟练程度，通常只用于小直径螺纹的加工。
精度等级更高的滚珠丝杠要求较高的螺纹加工精度，尤其行星滚柱丝杠的螺纹加工直接影响产品制造成功与否。目前西方发达国家普遍采用磨削或铣削方法，旋风铣可一次性铣出目标精度，而依托国内现有切削加工技术，丝杠在车床或铣床上加工后仍需进一步磨削才能获得较高精度。
2、丝杠校直校直是对丝杠进行弯曲校正，使其恢复直线状态。细长类丝杠零件在热处理后由于热应力和组织应力的复合作用容易产生变形，或者在切削过程中会由于力的作用受振引发弯曲，导致形变量超出公差范围，进而影响工件质量甚至阻碍后续热处理、螺纹加工等工序。要使弯曲丝杠恢复直线状态，可以通过施加外力的方式让零件产生反向弯曲（即压力校直），直至残留变形与初始变形相等，则丝杠刚好完成校直。校直分为冷态校直和热态校直，后者更利于保持零件精度。冷态校直是在室温下施加外力的校直方法，又分为冷压校直、冷态正击校直和冷态反击校直。以冷压校直为例，将测量后的零件凸起部位向上水平放置，对凸起一面施加压力使其塑性变形，根据“矫枉过正”的道理，一般需要压至低于水平线少许，然后利用零件自身回弹抵消过量的反向弯曲。热态校直在一定温度下进行，既可以对变形部位进行局部加热随后使其骤冷收缩，比如热点校直，也可以在热处理后，等到零件冷却至一定程度时迅速进行测量并施以压力，比如热压校直。热态校直后的零件能够长期保持工艺要求以内的尺寸和形状，而冷态校直受外力作用又可能会反弹回去，造成零件精度降低。
主要设备为丝杠自动校直机，国内成熟自主供货。目前国内外已基本完成从传统手工校直到机器自动校直的升级，全自动校直机由控制系统来完成零件的直线度检验以及校直过程，机器配备的专门测试传感器以及高精度编码器等能实现稳定测量以及精准定位，相比手工校直其效率及准确度大幅提高。供应商方面，国外丝杠自动校直机龙头包括德国MAE、意大利Galdabini、日本Kokusai和德国KBH等，国内厂商有中机试验装备、上海北友、长春上科机械等，自动化设备基本实现国产替代，可满足下游丝杠加工需求。
3、热处理热处理是指将工件在固态下加热、保温和冷却，使其内部组织发生转变，从而获得所需力学性能、物理性能和化学性能的一种工艺。根据加热和冷却方法的不同，热处理可以分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。
（二）磨削设备
磨削加工所用设备为磨床。从产业链来看，磨床上游包括数控系统、结构件、电气元件、传动系统及辅助材料，中游以自动化高效率的数控磨床为主要类型，下游涉及汽车制造、工程机械、航空航天等多个领域。
1、上游：数控系统成本占比高，中高端产品缺乏国产竞争力磨床主要机械部件包括电主轴、滚珠丝杠、磨头、尾座和砂轮架等，国内可自主供应，但在中高端市场竞争力不足。据中国机床工具工业协会，2023年机床功能部件（含零件）累计进口14.2亿美元，在所有机床工具产品中位居第二，累计出口17.6亿美元，与上一年持平。目前国产功能部件基本能满足机床主机的批量供应，有能力的整机厂商也会自制部分零部件，一方面利于压缩成本，另一方面更有助于与主机性能精准适配。现阶段国产机床部件在品种、数量、档次上与海外仍有差距，突出表现为中档产品市占率较低、高档产品未摆脱进口依赖。核心功能部件的产品一致性与机床可靠性密切相关，从功能部件上进行技术优化以及严格质量把控是提升高端磨床市场竞争力需要解决的关键问题之一。
数控磨床的核心部件为数控系统，技术难度高且价值量大。数控磨床也称为计算机数字控制（Computer Numerical Control，CNC）磨床，是指能接收、处理并转换数字指令来控制机械设备动作的一类自动化机床。数控系统为数控磨床的“大脑”，包括控制系统、伺服系统和检测系统三大部分：控制系统具有输入输出功能，其发出指令到伺服系统，能实现点位控制、直线控制、轮廓控制、线性插补控制等；伺服系统接收来自控制系统的指令，驱动床体机械部件的运动；检测系统帮助检测速度、位移以及测量尺寸等，并将结果及时反馈给控制系统和伺服系统以自动修正加工程序，构成闭环控制。数控系统的设计研发需要长期技术积累和大量资金投入，行业进入壁垒高，且新进入者在提供一站式解决方案和服务质量上存在明显短板，难以满足客户需求。
中高档数控系统产品附加值高、更具盈利空间，主要供应商为德国西门子、日本发那科等。中国机床工具工业协会将数控系统分为经济型、标准型和高档型三类。经济型数控系统的进入门槛相对较低，具有高性价比的国产品牌基本占据国内市场份额；标准型或称中档普及型，关键在于产品可靠性和稳定性，是目前国产与进口竞争的主要赛道，龙头为日本发那科；高档型数控系统具备5轴及以上的联动控制能力，为厂商技术水平的典型象征，市场份额主要由德国西门子、日本发那科和三菱电机占据。磨床整机厂商进口数控系统不仅外部成本极高，政策上可能还会面临高档产品的出口限制（例如日本基本不向中国出口高档数控系统产品），因此实现中高端数控系统的国产替代对于提高本土数控磨床的国际竞争力而言起到关键作用。
2、中游：国产磨床单机价值量较低，跻身高端仍需解决精度和可靠性问题磨床是磨削工艺中用到的高精度加工机床，作为滚珠/柱丝杠生产线最后的机械加工设备，对丝杠装配后精度起到关键性影响。磨床基本工作原理为借助磨具磨料除去工件表面的多余层，以使工件达到预定的加工精度及表面粗糙度等要求。按加工方式和用途的不同，磨床可分为外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床等通用磨床，以及针对某类零件进行加工的专用磨床，根据主轴的放置方式又可分为立式、卧式和龙门式三类，按控制方式又分为数控磨床和非数控磨床。磨削运动因所用磨具、工艺方法和工件表面及形状的不同而异，但通常主运动都是磨具的高速旋转，进给运动为工件和磨具的位移。
精度指标为评价磨床性能的最主要指标之一，几何误差、力误差以及特别是热误差对精密磨床影响最大。磨床等切削机床的误差来源于多方面因素，比如机床本身的设计、制造和装配，即几何误差；或者机床控制环节带来的偏差，即控制误差；又或者机床运动过程中工作台、回转主轴等的运动误差，运动误差也属于机床原始误差的范畴，对高速磨削机床的精度影响较大；以及机床使用过程中产生的动态误差，包括力（变形）误差和热（变形）误差。其中，几何误差、热误差、力误差为影响机床精度的主要误差源，且越是精密的机床其热误差所占比例越大，因此高精度磨床需要额外注重热刚性的考量。
除机床精度外，可靠性为高端数控磨床的制造壁垒所在。可靠性定义为“产品在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力”，背后反映出产业在设计理念、故障分析方法、试验数据沉淀以及零部件制造各环节的水平。数控磨床的可靠性高低首先取决于机床本身的设计。业内常通过故障分析以提升机床可靠性，并将平均故障间隔时间（MTBF）作为判断机床可靠性的重要指标。MTBF是指可修机床相邻两次故障之间的平均工作时间，也可称平均无故障时间，我国高档数控机床的MTBF已实现从600小时到2000小时的跨越，精度指标提升20%，但相比国外5000小时以上的领先水平仍存在一定差距。按企业类型与竞争力划分，我国数控磨床市场竞争者大致可分为三个层次：第一层次为技术领先的国际知名厂商，例如德国埃玛克、美国莱玛特、日本三井精机等，凭借其深耕行业多年的丰厚经验以及强大的研发创新能力，占据我国高端数控磨床市场主要份额；第二层次为国内具备核心竞争力的中高端企业，例如秦川机床、华辰装备、宇环数控等国家专精特新“小巨人”磨床企业，以及原“十八罗汉”改制而来的无锡机床、上海机床厂等；第三层次为数量众多的低端企业，既未形成较大的业务规模，也缺乏细分领域的代表性技术，产品同质化较为严重。
国产磨床单台价值量较低，高端市场进口替代空间广阔。根据海关总署数据，计算得出2022年我国进口磨床均价为22.39万美元/台，而出口磨床均价仅为1.21万美元/台，反映出国内中低端产品居多、高端产品依赖进口。随着国产品牌竞争力的提高，2018-2023年我国磨床进口金额总体呈下降趋势，据中国机床工具工业协会，2023年为7.7亿美元，市场仍存在较大国产替代空间。国内企业在与国际企业的竞争中存在天然的区位优势、设备价格优势以及快速响应的服务优势，且数控磨床行业壁垒高筑，新进入者威胁小，第二层次企业未来发展前景可观。
3、下游：应用行业释放增长潜力，高精度、数控磨床需求上升市场扩容，高精度以及高效率数控磨床的应用场景增加。据Global Market Insights统计，2023年全球磨床市场规模为57亿美元，预计2032年将达到89亿美元，2024-2032年期间年复合增长率5.1%。分行业看，1）汽车制造业尤其是新能源汽车制造业的高速增长是市场主要驱动因素之一，凸轮轴、转向活塞和减速器齿轮等零部件对金属加工的更高标准，将提供稳定扩张的磨床市场空间；2）工业制造在下游应用中所占比例最大，主要得益于行业自动化程度提高从而对数控磨床偏好增加；3）此外，航空航天、3C消费电子、医疗以及人形机器人等行业对高精度和高表面质量的需求不断增长，有望提升精密磨床在细分类目中份额。
汽车制造产业链发力，有效带动磨床行业。在汽车制造过程中，精密零部件的加工离不开磨床这一重要设备。磨床在汽车制造中的应用极为广泛，从发动机的曲轴和凸轮轴，到转向系统中的蜗杆和齿轮，再到活塞等关键部件，磨床都扮演着不可或缺的角色。磨削工艺的核心在于确保零部件的精确装配和高品质性能。汽车系统的关键部件需要在高转速和高负荷下长期稳定运行，这对其加工精度提出了极高的要求。磨床通过其精细的加工能力，能够实现微米级的精度，从而保证了其优异的性能。
工程机械行业需求量大，设备更新扩大磨床消费。磨床在工程机械行业广泛应用于液压件和齿轮的加工，液压件主要有液压缸、液压泵和液压阀三种类型，液压缸用连杆对外圆磨削与无心磨削需求较大，用到重型外圆磨床和无心磨床，齿轮（特别是推土机终传动齿轮）加工用到成形磨齿机。工程机械核心部件的特点是尺寸大、质量大，为减少制造过程中的人为错误、实现精确高效生产，数控磨床渗透率将不断提高。2024年3月份住房城乡建设部印发《推进建筑和市政基础设施设备更新工作实施方案的通知》，提出要“更新淘汰使用超过10年以上、高污染、能耗高、老化磨损严重、技术落后的建筑施工工程机械设备，包括挖掘、起重、装载、混凝土搅拌、升降机、推土机等设备（车辆）”，因此设备更新需求有望提振上游机床消费。
（三）旋风铣设备
1、旋风铣属于高效绿色切削工艺，适用于大型丝杠的半精加工旋风铣经济效益优于磨削，国内停留在半精加工水平、国外部分厂商可实现精加工。高速硬态旋风铣削（简称旋铣）是利用均布于刀盘上的6~12把成形刀具，借助旋铣刀盘与工件的偏心量以及多自由度耦合运动，来实现螺纹滚道的渐进式高速成形切削的方法。丝杠螺纹加工中传统的“粗车+精磨”方法，工序繁琐且加工效率低下，而且大量使用切削液易造成环境污染。与之相比，硬态旋铣工艺铣削速度可达400m/min，以滚珠丝杠为例，具体工艺路线为：调质→半精车→除应力→精车→粗磨外圆→淬硬→磨外圆→旋风铣→时效处理→精磨削，一般丝杠旋铣螺纹后可直接装配出厂，高精度丝杠也只需再进行精磨。旋铣工艺一次装夹的特点减少了加工误差，另外切削过程中90%以上的切削热被切屑带走，减少切削液污染的同时也使得工件热变形较小。
按刀具和工件的相对位置，可分为内旋铣和外旋铣两种。内旋铣的刀具沿环状刀盘内侧分布，工作时刀盘高速旋转，工件同向低速旋转，刀盘的旋转轴线与工件轴线间的夹角为螺旋升角，可通过改变螺旋升角的大小与方向来加工左旋、右旋的螺纹。内旋铣只能加工外螺纹，且刀具数量和铣削速度受刀盘尺寸限制较大，也难以实现大导程丝杠的加工。外旋铣可以加工外螺纹和内螺纹，其工作原理与内旋铣类似，主要区别在于刀具沿刀盘外侧分布。外旋铣相对内旋铣的铣削速度略高，但切削平稳性相对较差，且这种结构占用的空间更大，特别是给大型丝杠的螺纹加工带来不便。
2、数控旋风铣床近年在国内兴起，新型先进设备仍需深刻认知数控旋风铣床基本部件包括头架、铣头、拖板、尾架、中心架和跟刀架。螺纹铣削通过头架旋转运动（C）和铣头纵向移动（Z）、联动来完成，头架由伺服电机驱动旋转从而带动工件转动，铣头也经电机驱动从而刀盘高速旋转，联动指C轴转360°、Z轴走一个螺距。为确保铣削时严格的联动关系，铣头纵向运动配置高精度光栅尺，头架旋转配置高精度角度编码器，实现全闭环位置反馈。左、右两个跟刀架用于工件的夹紧和松开，4个中心架通过上、下移动V形支撑块用于实现工件的托起和释放。跟刀架夹持动作和中心架支撑动作也需要计算机控制系统来控制，以实现与C轴、Z轴联动的配合。
海内外旋铣设备发展历程较短，我国正逐步打破技术垄断。海外数控旋风铣床的专业化规模化生产大约起步于20世纪80年代，例如德国Leistritz公司在1986年生产出第一台旋铣机床、1993年旋铣机床投放市场并用于滚珠丝杠的硬加工，类似的还有德国GWT公司、BurgsMuller公司，以及奥地利Weingartner公司、Linsinger公司等。在世纪交接之际，伴随高速硬切削和刀具制造等理论工艺的发展，以德国为代表的西方发达国家数控旋风铣床在智能化、复合化方向取得阶段性进展，现目前已达到精密加工水平。而我国引进旋铣技术是在上世纪60年代，通常是在原有车床上安装铣头，主要用于螺纹的软铣削。2012年左右，我国陕西汉江机床有限公司研制出8米数控螺纹旋风铣床HJ092×80，打破了国外在大型滚珠丝杠高效加工上的技术封锁。
3、旋风铣刀具为工艺关键要素之一，中高端市场国产替代进程加速刀具的性能很大程度上决定旋铣加工质量，其切削耗材的齿形一致性及材质为关键变量。铣刀由刀柄、刀体和切削耗材组成。刀柄一端与机床主轴直接联接、另一端与刀体或整体式刀具联接，是将机床主轴的回转精度、转动扭矩传递给被加工工件的装置。刀体结构的设计决定了铣削工艺的实现，对加工效率和加工精度影响大。切削耗材是直接与被加工工件发生相互作用的部分，可以是刀片或整体式刀具，前者安装于刀体上，后者既可以安装于刀体、也可以直接与刀柄联接。其中，切耗材料是铣削加工的主体部分，直接决定螺纹加工质量，以刀片为例，如若旋铣刀盘上的多个刀片存在齿形偏差或倒棱大小差异，则势必造成相邻铣削截面的差异，导致丝杠滚道周期性波动。此外，铣削时刀片表面被切屑和工件表面强烈摩擦而逐渐磨损，尤其逆铣时更为严重，影响刀具寿命进而影响加工成本。
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