一、滚珠/柱丝杠：化旋转运动为直线运动，热处理、磨削环节决定性能差异
滚珠/柱丝杠主要作用在于化旋转运动为直线运动，化滑动摩擦为滚动摩擦。滚珠丝杠副 （以下均简称滚珠丝杠）是由滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠组成的部件，它可以将旋转运动 转变为直线运动，也可将直线运动转变为旋转运动。相对传统的滑动摩擦，滚珠丝杠因为 滚珠的存在变为了滚动摩擦，大大提高了传动效率。在机器人应用方面，滚珠丝杠的主要 作用是控制机器人的运动轨迹和姿态。
根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，滚珠丝杠从加工工艺角度划分为磨削 滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两大类，磨削滚珠丝杠是按照基准统一原则，以两端中心孔为加 工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，也可简单分为粗加工 （主要是热处理、粗磨）及精加工（主要是精磨），制造精度高达到 P1 级，非常适合给 高精度设备做定位部件。 热处理、磨削环节决定性能差异。滚珠丝杠副的精度保持性及疲劳寿命是至关重要的两项 验收指标，丝杠的表面硬度、耐磨性及螺距精度等级是影响以上两种验收指标的关键所在。 其中材料及热处理工艺决定丝杠表面硬度、耐磨性，而磨削工艺及加工设备决定螺距精度。
热处理：根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，滚珠丝杆材料常常选用 GCr15 高碳铬轴承钢，轴承钢经过淬火加低温回火后具有硬度高、组织均匀、耐磨性强、接触疲 劳强度高的优点，但轴承钢材料塑性一般，切削性能中等，焊接性能差，有回火脆性，所 以磨削滚珠丝杆粗加工之前要对轴承钢材料进行预先热处理，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。 加工方式：根据郑红《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，磨削滚珠丝杠加工常用方 法有：砂轮磨削、硬车削、旋风铣削。
（1）砂轮磨削：精度最高，用于精度要求较高的精加工，生产效率较低。按砂轮截面形 状不同分单线头砂轮磨削和多线头砂轮磨削两种，以单线头砂轮磨削为例，其能达到的螺 距精度为 5～6 级，表面粗糙度为 Ra1.25～0.1 微米，砂轮修整较方便。这种方法适于磨 削精密丝杠、螺纹量规、蜗杆、小批量的螺纹工件和铲磨精密滚刀。 但这种工艺方法经磁力探伤检测后，会发现在滚珠丝杠滚道的圆弧上，有沿着轴线方向的 或网状的裂纹，可以通过“小磨量多次进给”的工艺方法，或采用“磨--工作滚道表面温 度稳定--磨”的技术方法解决，最大幅度降低滚珠丝杆工作滚道表面的磨削应力及磨削热 量，最大程度避免磨削裂纹或烧伤现象的产生。
（2）硬车削：用于粗加工及精度要求较低的精加工，生产效率高。硬车削是指把淬硬材 料的车削作为粗加工或最终加工、精加工的新技术新工艺，回避了使用磨削加工技术。硬 车削通常采用高转速、大切深，金属切除效率是磨削加工的 3 倍多；硬车削加工时一次 装夹即可完成零件多个表面的加工（比如车外圆、车内孔、车槽等），而磨削加工需要多 次安装才能完成，会产生二次安装误差；硬车削产生的热能一半以上被切屑带走，不会产 生像磨削加工那样的表面裂纹与烧伤，所以硬车削可使工件获得良好的加工精度与表面粗 糙度，能够保证形位公差技术要求（比如圆度、位置精度）。
（3）旋风铣：用于粗加工及精度要求较低的精加工，生产效率最高。滚珠丝杠工作滚道 粗加工还可以采用旋风铣，旋风铣是在数控车床上配套安装高速铣削螺纹动力头,用装在 高速旋转刀盘上的硬质合金成型刀具，从工件上铣削出螺纹的加工方法，旋风铣一刀成型， 采用压缩空气排屑冷却，而且无需加工螺纹退刀槽，解决了退刀槽部位的应力集中缺陷。
冷轧滚珠丝杠效率高，精度低。采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量 生产后成本低，效率高，但制造精度不甚理想，总停留在 P7 级左右，只能在设备中做传 动部件。采用硬车削大余量加工淬硬钢工艺简单效率高，可选择 CBN 高硬刀具，适合的 加工硬度范围为 HRC45-79，省去了退火淬火热处理工艺，避免了退火后再二次淬火的弊 端，解决了采用砂轮进行大余量磨削加工的工艺难题。目前低精度丝杠主要采用轧制工艺。
二、滚珠丝杠：受益于汽车智能化渗透率提升，单车价值量上千
转向：当前以 EPS 为主流，其中 R-EPS 采用滚珠丝杠。转向系统当前以 EPS 为主流。转向 系统发展经历了机械转向系统、液压助力转向系统（HPS）、电动助力转向系统（EPS）、电 子液压助力转向系统（EHPS）、线控转向系统（SBW）等多个阶段，逐步实现从机械件到电 动化再到智能化。目前，液压助力转向系统（HPS）和电子液压助力转向系统（EHPS）广 泛应用于商用车，电动助力转向（EPS）则大量地运用于乘用车上。
根据王虎《汽车电动助力转向系统选型研究》，电动助力转向系统根据电机位置不同和减 速机构的差异，大致可以分为六种类型：管柱式电动助力转向系统（C-EPS）、单小齿轮式 电动助力转向系统（P-EPS）、双小齿轮式电动助力转向系统（DP-EPS）、齿条式电动助力 转向系统（R-EPS）、线控式电动助力转向系统和轮边电机式电动助力转向系统。其中以 CEPS、DP-EPS、R-EPS 使用相对广泛。 （1）C-EPS：价格便宜、空间布置容易，工作环境良好；但电机工作噪音传递明显，受齿 轮承载能力限制不易实现大助力，适用车型为紧凑型、小型车； （2）DP-EPS：工作噪音小，价格适宜，助力响应速度快，可实现大助力；但电机工作环 境恶劣，密封要求严格，受周边环境影响空间布置困难，适用车型为中型、中大型车； （3）R-EPS：工作噪音小，助力响应速度快，可实现更大助力；但价格昂贵、减速机构结 构复杂、空间布置难度大，适用车型为中大型、大型车。 R-EPS 采用滚珠丝杠，输出的推力更大。电机越靠近转向器，助力传动效率越高，因而电 动助力转向系统中 C-EPS、DP-EPS 到 R-EPS 转向性能依次提升，前两者的减速机构都采用 蜗轮蜗杆形式，R-EPS 则是由电机通过带式减速机构后经滚珠丝杠副带动齿条轴进行传动， 其输出的齿条推力达 9-16KN，显著高于 DP-EPS。 R-EPS 在汽车转向中渗透率有望逐步提升，从而带动滚珠丝杠在转向上的应用。随着新能 源车续航里程不断提升，车身重量也随之增加，需要扭矩推力更大的 R-EPS。因此随着新 能源车占比逐步提升，REPS 在汽车转向中渗透率有望加速，从而带动滚珠丝杠在转向上 的应用。
驻车：EPB 用滚珠丝杠副用于中高档汽车电子驻车系统。 根据《汽车电子驻车制动系统（EPB）驻车力研究》，EPB 驱动部件包括电动机、减速机构 和驻车制动器组成。当驾驶员按动电子驻车制动系统按钮时，电子驻车制动系统控制模块 接到来自按钮的信号，控制模块会向执行机构的电动机施加电流让其转动。电动机释放的 转矩通过减速增扭机构将电机的速度减少、扭矩增大，然后通过输出轴螺纹副或滚珠丝杠 副将电动制动单元输出的扭矩转化为直线推力，从而推动制动活塞运动将推力转化为制动 块压紧至制动盘上的压力，进而完成实现车辆减少或驻车制动。 目前市场 EPB 制动钳主要采用两种传动方式，一种是螺纹传动，另一种是滚珠丝杆转动； 这两种均属于螺旋转动，由螺杆与螺母组成，是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力的。 它主要是将旋转运动变成直线运动，以较小的转矩得到很大的推力。 与传统螺纹传动相比，使用滚珠丝杠的 EPB 具备效率高、寿命长、运动平稳等优势。螺纹 传动的特点是：结构简单，加工方便；易自锁；螺纹有侧向间隙，反向时有空行程，定位 精度和轴向刚度较差；摩擦阻力大，传动效率低；磨损快；滚珠丝杆传动的特点是：摩擦 阻力小，传动效率高；结构较复杂，制造工艺要求高，成本较高；运动平稳，启动时无振 动；寿命长；不自锁，要求自锁时需附加自锁装置。 EPB 用滚珠丝杠副用于中高档汽车电子驻车系统。EPB 用滚珠丝杠副结构与常规滚珠丝杠 副不同，该特殊结构保证其拥有更强的承载能力，在电子制动过程中，卡钳电机通过丝杆花键带动丝杆旋转，丝母的轴向运动为驻车系统提供制动力。EPB 用滚珠丝杠副是电子驻 车系统中的核心传动部件，质量关乎整套电子驻车系统的性能。目前仅有大陆集团电子制 动系统采用滚珠丝杠传动结构，其余制动器厂均使用螺纹传动。
制动：滚珠丝杠应用于线控制动、EMB。 根据《电子机械制动器的建模、仿真和实验研究》，传统液压机械制动及当前部分市场化 的电子液压制动，在制动时，其液压管路油压上升与下降都会存在迟滞现象，导致制动延 缓、事故率高；并且复杂的液压管路也增加了汽车布置防抱死制动系统（ABS）、车身稳定 控制系统 （ESP）等控制装置的难度。 电子机械制动系统（EMB）取消了复杂的液压执行机构，具有结构简单、体积小、响应速 度快、控制精度高、节能环保等优点，而且更容易和 ABS/ESP 进行集成，简化结构、节省 空间。EMB 主要由电机、减速增矩装置、运动转换装置和制动器组成，其工作过程为:电 机将电能转化为机械能，并以扭矩的形式输出;减速增矩装置接收电机扭矩，并进行减速 增扭;运动转换装置将电机的旋转运动转化为直线运动;制动器由制动钳体、制动钳块和制 动盘组成，制动钳块在直线推动力的作用下，压紧制动盘产生制动力，制动结束后，电机 反转使制动钳块与制动盘产生固定间隙，等待下一次制动。
由于滚珠丝杠具有精度高、寿命长、工作平稳及可靠性高等特点，EMB 的运动转换装置可 用滚珠丝杠。根据赵立金《电子机械制动系统关键技术研究进展》，EMB 从传动原理上通 常有两大技术路线，分别为线性自增力式和非线性增力式，均使用了滚珠丝杠： （1）线性自增力式：线性增力式电子机械制动系统结构简单，是目前国内外研究与专利 较多的类型，电机输出的旋转力矩经过行星或者定轴齿轮机构减速增扭、再通过滚珠丝杠 将旋转运动转化为平动位移传递给摩擦制动器。 博世 EMB 方案采用电机外置匹配行星齿轮构与滚珠丝杠副，利用电磁离合器接合断开可 以实现 4 种工况；大陆集团 EMB 方案采用电机内置匹配行星齿轮构与滚珠丝杠副，间隙 调整方式为智能控制，有棘轮机构实现制动力保持和驻车； （2）非线性自增力式：利用楔形块的自增力原理，取消齿轮减速增扭机构，是近年来研 究的热点，以 Siemens VDO 的楔形自增力结构（EWB，Electronic Wedge Brake）为代 表，楔形自增力结构可以匹配低功率小型电机配合滚珠丝杠驱动楔形块。
使用滚珠丝杠的 one-box 产品具备体积小、精度高、噪音小、成本低等优势。日立汽车旗 下的东机工（TOKICO），早在 2008 年就开发成功 E-ACT 的线控制动系统，采用滚珠丝杠做 力矩变换，将电机旋转力矩转换为水平移动力矩；2016 年初，博世推出了第二代 iBooster， 从二级蜗轮蜗杆改用一级滚珠丝杠减速，体积大幅度缩小，控制精度有所提高。相较于蜗 轮蜗杆-蜗杆涡轮+齿轮齿条传动机构，齿轮齿条部分涉及零部件较多，结构相对复杂，而 采用丝杠的传动机构更紧凑，结构更简单，负载更大，相当于一根丝杠代替了“蜗杆+涡 轮+齿轮+齿条”的作用。若采用滚珠丝杠的传动结构，onebox 产品将减少使用一个蜗轮蜗 杆及多个齿轮结构，性价比得到进一步增强。
未来汽车用滚珠丝杠单车价值量有望达 1000 元，车端滚珠丝杠市场有望超百亿元。在假 设 1）汽车销量 8744 万辆；2）EPB：EPB 渗透率 91%，滚柱丝杠在 EPB 渗透率 15%，单车 用 1 个；3）EMB：EMB 渗透率 12%，滚珠丝杠在 EMB 渗透率 80%，单车用 1 个；4）onebox： onebox 渗透率 40%，滚珠丝杠在 onebox 渗透率 96%，单车用 1 个；5）EPS：EPS 渗透率 92%，R-EPS 在 EPS 渗透率 13%，R-EPS 均需滚珠丝杠，单车用 1 个的情况下，对应车端滚 珠丝杠市场约 147 亿元。若考虑座椅、移门、悬挂等领域的使用+为了安全冗余，备用安 全部件也使用滚珠丝杠，那么滚珠丝杠的单车价值量将会更高。
三、行星滚柱丝杠：负载大精度高，人形机器人有望打开应用空间
相较滚珠丝杠，行星滚柱丝杠负载更大、精度更高。 1）优势：行星滚柱丝杠通过多个滚柱与丝杠和螺母之间的多点螺旋曲面啮合来传递运动 及动力。与滚珠丝杠相比，由于滚柱丝杠不需循环装置且滚柱之间不会发生相互碰撞，接 触点较滚珠丝杠副多，其在承载能力、传动精度、轴向刚度、速度及加速度等方面明显优 于滚珠丝杠； 2）劣势：由于结构复杂、加工难度大和成本高，一直没有得到广泛应用。
反向式行星滚柱丝杠适合紧凑场景，如人形机器人。 1） 反向式行星滚柱丝杠的螺母更长，可以用更小的扭矩实现更大的负载。反向式的行星 滚柱丝杠的结构与标准式类似，但是无内齿圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿 轮啮合，螺母作为主动件，长度比标准式大得多，优势在于通过较小的导程实现更高 的额定负载，从而降低驱动扭矩，适用于紧凑情况下。 2） 丝杠和电机可实现一体化集成。反向式行星滚柱丝杠的齿轮设计于滚柱和丝杠之间， 可以提供更平顺稳定的同步旋转运动，主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景。 同时，该结构可实现电机和丝杠一体化设计。
特斯拉人形机器人有望打开滚珠丝杠、行星滚柱丝杠应用空间。根据特斯拉 AI Day2022 信息，特斯拉人形机器人下肢腿部将采用无框电机与行星滚柱丝杠的线性执行器。在假设 特斯拉单个人形机器人需 4 个滚珠丝杠+10 个行星滚柱丝杠，全球人口约 82 亿人，机器 人渗透率 12 台/万人的情况下，测算得机器人贡献滚珠丝杠、行星滚柱丝杠应用空间有望 达 74、756 亿元。
四、国内外产品差异来源于工艺、设备，低成本助力国产替代加速
国内尚起步，国产替代空间大。目前，国外的行业巨头（如德国 Schaeffler、美国 Exlar、 瑞士 Rollvis、瑞典 SKF 等）已形成成熟的滚珠丝杠、行星滚柱丝杠产品系统，并在精度等级、润滑维护、应用平台等方面形成了一定的理论体系，在滚珠丝杠领域占据主导， 更是在行星滚柱丝杠领域形成了技术垄断。国内厂家的高速、高精度滚珠丝杠产品在质量 稳定性、精度保持性、疲劳寿命等方面还未达到海外龙头企业的制造水平，对行星滚柱丝 杠的研制还处在初始阶段。 海外丝杠企业在中国已有所布局。自 1978 年进入中国市场以来，博世力士乐已在北京、 常州和西安建立了生产基地。舍弗勒主要为在太仓、苏州、银川、南京、湘潭、平湖、桃 园等地设有 13 座工厂。THK 则主要晋中在华北、华东地区，如辽宁、常州、无锡、大连 等生产基地。NSK 生产基地有昆山、苏州、杭州等地；上银科技于 2017 年 11 月 8 日举 行苏州厂启用典礼位于苏州工业园区，占地面积为 80,000 平方米。
由于在精度保持性、寿命等关键性能指标上落后于境外产品，国产品牌市场占有率低。根据华经产业研究院预测，2022 年全球滚珠丝杠市场空间约 19 亿美元，中国滚珠丝杠市场 空间约 28 亿元。目前全球主要的滚珠丝杆厂商有 NSK、THK、SKF 等，日本和欧洲滚珠丝 杆企业占据了全球约 70%的市场份额。国内相关企业较少，主要有秦川机床、新剑传动、 恒立液压、贝斯特、鼎智科技等。
整体看，国产差距在于淬火工艺、精加工工艺、检测设备。 1）材料端：国外厂商采用合金钢，国内轴承钢有所差距。钢材质量的差距将导致丝杠产 品在使用过程中抗热形变能力的差异，进而导致产品寿命的差异。瑞典 SKF 公司标准丝杠 主要是由预处理的 50CrMo4（或 42CrMo4）表面硬化处理加工的，螺母和滚柱采用硬化处 理的 100Cr6 轴承钢为材料，德国 Bosch Rexroth 丝杠材料采用高品质、经热处理钢， 高碳铬合金钢或渗碳钢，丝杠和螺母的洛氏硬度通常大于 HRC58，丝杠两端不做硬化处理。 国内滚珠/柱丝杠采用的轴承钢，在配方、除杂方面有所差距，但可以通过进口解决。
2）工艺端： 淬火：国内淬火工艺与海外有差距。国内滚珠丝杠在热处理加工中普遍存在淬硬层浅、硬 度分布不合理、组织均匀性差、耐磨性差等缺点，在滚珠丝杠传动系统运行过程中通常发 生以磨损、接触疲劳为主的表面损伤失效。
磨削：丝杠、滚柱主要采用轧制或车削，螺母在精加工环节需磨削，而磨削加工难度更大。 目前海外的滚珠/行星滚柱丝杠，在低精度领域（如传动）应用轧制或车削工艺，在高精 度领域（如机床）应用磨削工艺。在人形机器人领域，丝杠、滚柱主流用轧制或车削，而 螺母用磨削。 工艺瓶颈在于螺母磨削。人形机器人采用反向式行星滚柱丝杠，特点为螺母比丝杠长，如 采用车削会引发震刀，因此磨削更适合，然而磨杆、砂轮需深入螺母内部，需做小直径， 而砂轮的磨削线速度最低要求 20m/s，因此转速需达 4-5 万转，高转速下保持加工稳定性 具备很高难度。另外，在行星滚柱丝杠中，由于螺母较长，因此需要加工的螺纹线较长， 且单螺母需磨削 5 道螺纹线（滚珠丝杠螺母仅一道），加工周期长，生产节拍低，成本较 高，生产难度较滚珠丝杠更难。
3）设备端：“卡脖子”环节。国产加工设备及检测仪器相对落后，当前最先进设备集中在日 欧，但海外对精密设备一方面存在出口限制，另一方面即使出口少量设备至国内，单台高 精度磨削设备甚至达千万元，且不向国内企业出口最优设备，国内企业在获得设备后需经 过大量的调试提升至目标精度，非常依赖 know-how 的积累。国产设备目前主要由汉江机 床提供，设备价格较海外更低。 汽车、机器人、机床丝杠性能要求方面，机床最高，机器人次之，汽车要求最低。机床丝 杠精度要求最高，高精度磨床要求在 C0-C2 级，车床、铣床、线切割机一般在 C1-C5 等级； 机器人精度要求次之，机械手臂（精密级）精度要求在 C1-C4 级，机械手臂（一般级）精度要求在 C5-C8。汽车丝杠精度要求最低，其中动力转向器、线性制动器精度要求 C6-C8、 C5-C8。
汽车领域：五洲新春、宁波慈兴、长盛轴承三家轴承企业已具备车用丝杠产品的量产能力。 由于在沟槽加工、滚动摩擦等技术上存在共通，已有部分轴承企业进入了丝杠行业，如海 外舍弗勒、SKF 等、国内五洲新春、长盛轴承等。目前车用领域中的滚珠丝杠多为国外企 业供应：1）转向领域：多采用舍弗勒、NSK、上银科技等企业；2）线控制动领域：以博 世自制为主。但是已有多家国内企业具备量产能力，有望开始给车企供货： 1）五洲新春：已成功研发车用滚珠丝杠产品，并在推进产品商业化销售。已经研发成功 丝杆螺母转向系统轴承组件，并应用于新能源汽车转向系统、电子刹车和驻车系统、变速 箱和主动悬架系统等。目前已经在 EPB、EMB 及 EHB 领域均已在和国内知名系统集成商及 主机厂进行深入沟通，进展顺利。 2）宁波慈兴：已批量生产车用滚珠丝杠产品。生产汽车刹车等部件用的滚珠丝母组件， 具有年生产能力 500 万只滚珠丝杠。3）长盛轴承：预计今年内会有相关定点落地。目前公司已经取得商用车主机厂的滚柱丝 杠产品定点，其他乘用车客户正在开发及交样过程中，预计今年年内会有得到汽车行业客 户的量产计划。
机器人领域：目前看国内企业已开始布局。国内秦川机床、新剑传动、恒立液压、贝斯特、 鼎智科技等正在布局/在研滚柱/行星滚柱丝杠，有望突破技术壁垒，实现国产替代。 1）秦川机床：滚柱丝杠产品的精度达到领先水平，已批量应用于机床领域。目前子公司 汉江机床的核心产品滚珠丝杠和导轨，一方面用于公司自身产品，另一方面外销应用于机 床、自动化及新能源汽车等高端制造领域。目前公司的丝杠产品由 P1 级提升到 P0 级， 精度水平达到国际先进水平。 2）新剑传动：行星滚柱丝杠系列产品已从技术、成本、量产上重点突破。主要产品为行 星滚柱丝杠电动缸产线系列产品、CNC 车磨轴产线系列产品、HDM 产线系列产品、滚轧成 型蜗杆齿轮产线系列产品。目前公司行星滚柱丝杠产品已形成年产 350 万套，与吉利汽车 等开展了深入合作，所搭载产品应用于吉利汽车多款车型;产品还应用于汽车电控机械制 动 EMB、轨道交通的 EMB、人形机器人等领域。 3）恒立液压：募资投向滚珠丝杠领域。2023 年 1 月 6 日，恒立液压完成以 56.4 元/股增 发为 3546 万股、募集资金总额为约 20 亿元的非公开发行。其中，线性驱动项目拟投入 15 亿元实现产品的电动化升级，包括电动缸和滚珠丝杠的生产。该项目达产后将形成年产 104,000 根标准滚珠丝杠电动缸、4,500 根重载滚珠丝杠电动缸、750 根行星滚柱丝杆电 动缸、100,000 米标准滚珠丝杠和 100,000 米重载滚珠丝杠的生产能力。 4）贝斯特：公司已开始布局机床等领域用的滚珠丝杠产品。目前公司全面布局直线滚动 功能部件，通过全资子公司宇华精机落实“高端装备核心滚动功能部件研发及产业化项目”， 产品主要包括高精度滚珠丝杠副、高精度滚动导轨副等，面向高端机床、半导体、自动化 等下游领域。 5）鼎智科技：布局行星滚柱丝杆。主营医疗及工业自动化用线性执行器、编码器、驱控 器等。公司在微型行星滚柱丝杆的研发与生产上已有里程碑式进展，产品寿命长、精度高、 负载大，其应用领域包括机器人、飞机起落架、部分工业场景等。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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