【长城证券】丝杠：精密传动部件机器人中必不可少，国产替代蓄势待发.pdf

2024-03-24

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一、丝杠：精密传动部件，下游应用广泛

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%。1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。按照摩擦特性，丝杠可以分为三大类：滑动丝杠、滚动丝杠、静压丝杠，其中滚动丝杠又分为滚珠丝杠和滚柱丝杠。

丝杠下游应用较为广泛，可以广泛应用于数控机床、机器人关节、汽车之中。其中，在对于丝杠性能要求方面，机床最高、机器人次之、汽车则要求最低，高精度磨床要求在 C0-C2 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；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。

二、滚珠丝杠：性能优于滑动丝杠，国产替代空间较大

1、滚珠丝杠：广泛应用于机床领域，发展由来已久

滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成，将钢球置于丝杠与螺母之间以滚动摩擦取代滑动摩擦，因而摩擦阻力更小，滚珠丝杠是数控机床的核心部件，在工业母机领域，滚珠丝杠用于直线传动，通常安装在高精度数控机床的直线轴中。

从发展历程来看，总体而言，可以将滚珠丝杠的发展历程划分为三个阶段：（1）萌芽期：1872 年，滚珠丝杠基本结构在美国以申请专利的方式问世；1940 年，美国首先将滚珠丝杠应用与汽车转向装置，开始商业化之路。（2）发展期：1952 年，第一台数控机床问世，进一步推进了滚珠丝杠产业的发展； 1964 年，中国研制出第一套滚珠丝杠副。（3）成熟期：1982 年行业标准 JB3162-1982《滚珠丝杠副》的出台标志我国滚珠丝杠发展步入发展期，我国滚珠丝杠相关研究起步较晚，目前相关产品相比海外领先企业尚存在一定差距。

从分类来看，按照滚珠返回方式的不同可以将滚珠丝杠分为内循环和外循环：其中，内循环是指滚珠沿着螺母壁返回，低于滚珠螺母的外径，其特点在于滚珠流畅性好，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小；外循环是指滚珠通过返回管回到回路的相对端，滚珠返回管突出于滚珠螺母的外径之上。其特点在于反向灵活，结构紧凑，使用可靠，工作寿命长。

此外，根据支撑方式的不同，也可将滚珠丝杠划分为四种类型，分别为：一端固定一端自由、一端固定一端支撑、两端支撑、两端固定。一端固定一端自由：一端组合式角接触轴承一端自由，这种安装方式多用于短程以及垂直传动，结构简单，但刚度和稳定性较差。一端固定一端支撑：一端组合式角接触轴承，另一端为深沟球轴承。适用于中等速度、刚度及精度都较高的场合。两端支撑：两端均装深沟球轴承。该类形式结构虽然较为简单，但是受力能力较差，应用场景较少。两端固定：两端均装组合式角接触轴承，可承受较高的轴向负载，能够较好的弥补滚珠丝杠高速回转中产生的高温问题，但是该类形式整体安装相对复杂。

2、滚珠丝杠、滑动丝杠与静压丝杠

滑动丝杠又称梯形丝杠，其结构比较简单，制造方便，滑动丝杠摩擦力较大，传动效率较低，根据 CSDN，滑动丝杠传动效率一般为 26%—46%，磨损快，低速和微调传动出现爬行，易自锁，定位精度和轴向刚度较差。相较于滑动丝杠，滚珠丝杠具备几大优势：首先，滚珠丝杠依靠滚珠进行滚动摩擦，而滑动丝杠进行的是滑动摩擦，这也导致其摩擦力较大，容易磨损；其次，由于滚动摩擦系数小于滑动摩擦，滚珠丝杠的传动效率相较于滑动丝杠更高；最后，根据山东乐乐机械公司介绍，当丝杠传动效率大于 50%时，没有自锁性，小于 35%时将出现自锁性，因而滚珠丝杠不具备自锁性，滑动丝杠可能产生自锁性。根据凯特精机的数据显示，滚珠丝杠副的传动通过滚珠丝杠和滚珠螺母之间的滚珠传递，机械效率可达 90%以上，而且摩擦系数比传统的滑动丝杠低，传动扭矩只有滑动丝杠的 1/4~1/2，可轻易将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动。

静压丝杠可分为液体静压丝杠和气体静压丝杠，液体静压丝杠的油腔位于螺母上，静压油膜位于静压螺母和精密丝杠之间，静压螺母和丝杠本身并不接触，因此没有磨损，但液体静压丝杠装置较大，且其静压油腔加工困难，且存在环境污染问题。相比与液体静压丝杠，气体静压丝杠中起支撑润滑作用的是气膜，由于空气的可压缩性较强，气膜厚度要比液体静压丝杠中的油膜小，因此定位精度更高，但同时刚度和承载能力较低。静压丝杠具备摩擦力合速度呈正比，低速时几乎为 0 的特点，同时其具备一定的减振性，可以消除滚珠丝杠存在的震动和噪音，比较适合需要频繁震动附在的情形。

3、滚珠丝杠加工有一定难度，未来市场空间广阔，国产替代仍需发力

精密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，通过热处理、车削等几十道工序完成。冷轧滚珠丝杠是采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量化生产成本较低，但最终的成果精度较差。

螺纹的加工精度对滚珠丝杠的性能有较大的影响。在滚珠丝杠的制造过程中易产生螺距误差。滚珠丝杠的螺距误差主要来自静态误差、动态误差和随机误差，其中机床误差、砂轮磨损误差和弹性变形以及热变形误差对螺距误差影响较大。

滚珠丝杠在选型时需要考虑精度等级，轴向距离等因素，其中精度等级是首要因素，我国常用的精度等级主要有 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日韩以及中国台湾采用 C0、 C1、C3、C5、C7、C10，其中数字越小代表精度越高。滚珠丝杠应用丰富，市场空间广阔。滚珠丝杠下游应用丰富，可用于自动化机器人领域，作为精确线性传动动力以及同时承受高负载的角色；可用于精密仪器和医疗设备、航天航空等方面，此外还能够应用于新能源汽车电缸、换挡系统、刹车、转向系统等等。

根据百谏方略（DIResaerch）研究统计，全球滚珠丝杠市场规模呈现稳步扩张的态势， 2023 年全球滚珠丝杠市场销售额将达到 153 亿元，预计 2030 年将达到 235 亿元， 2023-2030 年复合增长率为 6.32%。其中，亚太是滚珠丝杠最大的消费市场，2023 年亚太滚珠丝杠市场销售额将达到 87 亿元，预计 2030 年将达到 135 亿元，2023-2030 年复合增长率为 6.48%。

分类来看，根据百谏方略数据显示，内循环滚珠丝杠占据主要市场地位，2023 年占全球市场份额 58.43%，外循环滚珠丝杠占全球市场份额 41.57%。从下游行业来看，机床和注塑机领域应用占比最大，2023 年机床和注塑机领域应用占比为 59.11%。

国内市场供不应求，国产替代仍需发力。滚珠丝杠生产具备一定技术壁垒，我国相关研究起步较晚，国内滚珠丝杠精品制造商较少，导致市场供应量较少，但滚珠丝杠下游应用丰富可用于机器人、新能源汽车等领域导致需求量较大，根据智研咨询统计，2022 年，中国滚珠丝杠产量将达到1100 万套，需求量将达到1555 万套，仍处于供不应求的局面。

从我国滚动功能部件的市场格局来看，日本、欧洲企业主导高端市场，根据南京工艺，截止 2022 年，国内滚动功能部件的高端市场，日本、欧洲企业合计市场份额高达 90%，中国大陆、中国台湾企业市场份额各约 5%，高端市场格局相对集中。

我们认为，滚珠丝杠下游应用丰富，未来随着机器人行业的进一步拓展有望持续带动滚珠丝杠需求不断上升，市场不断扩大，目前国内企业相较于海外头部企业尚存在一定差距，市占率较低，未来随着技术壁垒逐步被打破，国内企业有望在高端滚珠丝杠市场进一步拓展，国产替代有望进一步上升。

三、行星滚柱丝杠：人形机器人中必不可少，未来市场空间广阔

1、行星滚柱丝杠：优势明显，已应用于人形机器人

行星滚柱丝杠由行星架、内齿圈、螺母、滚柱、丝杠等组成，可用于高精度、高速、重型耐用等场景，其优势在于大承载、寿命长、响应速度快以及体积小等。

相较于滚珠丝杠以及滑动丝杠，行星滚柱丝杠具备传动效率更高（可达 90%）、承载能力最大、速度最高等优势，其下游可主要应用于航天器、望远镜登高精度控制系统，机床、数控机床、精密机器人、半导体设备等。

行星滚柱丝杠是人形机器人“肢体”的核心组成部分。根据 GGII，特斯拉 Optimus 机器人躯干共有 28 个关节，旋转关节和直线关节各 14 个，其中直线关节或采用了大、中、小三种共计 14 个反向式行星滚柱丝杠，行星滚柱丝杠价值量占比 13.8%。此前，开普勒发布的先行者 K1 系列机器人在肘关节以及小腿等环节均集成了自研的行星滚柱丝杠从而实现执行器推拉控制。行星滚柱丝杠可以广泛应用于机器人的手臂、腿部以及灵巧手等多个方面。

行星滚柱丝杠又可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承式五种。标准式：也称为非循环滚柱丝杠，其滚柱相对于螺母没有轴向运动，且滚柱与螺母啮合。反向式：工作原理与标准滚柱丝杠相同，螺母和螺钉的功能相对滚柱相反。目前特斯拉 Optimus 采取的正是反向式行星滚柱丝杠。循环式：循环式滚柱丝杠的滚柱在螺母内轴向移动，直到绕杠丝旋转一圈后返回原来的位置。差动式：结构相较于标准式更加紧凑，可以承受更高的载荷。轴承式：承载能力提高，减小了各结构件之间的磨损，但尺寸大，制作成本较高。

2、技术壁垒较高，国内原材料、工艺及设备均存在一定差距

行星滚柱丝杠在生产过程中会产生热量损失以及误差，这对其制造流程提出了更高的要求，在制造环节中可能出现螺纹螺距误差、螺纹牙型误差、齿轮齿距误差、齿轮齿廓误差、制造偏心误差等等。

2.1 原材料

在行星滚柱丝杠的原材料选择中，需要考虑两方面因素，一方面是要考虑选择硬度高、刚性好、抗疲劳度强、承载力高的材料，另一方面也要考虑材料的经济性以及切削性能。此外，在选择材料时，针对各个零件要选择不同类型的材料，一方面是因为各个零部件在运动过程中会出现不同程度的磨损，寿命会出现差异，另一方面是因为不同零件如果选择相同材料可能出现胶合现象。在原材料的选择方面，国内企业大多采用马氏体不锈钢，其抗腐蚀性以及硬度有缺陷，而国外大多数领先的行星滚柱丝杠企业大多选择采用加入 Mo 元素的合金，性能更强。

此外，在高端的 Cr/Mo 合金方面，我国企业也尚且与海外存在一定差距，根据《国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》，国产丝杠存在的带状偏析组织是造成其使用性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性是脆弱的部位，容易造成在变形过程中的应力集中，甚至出现裂纹。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 工艺流程

行星滚柱丝杠的传动功能依靠螺纹啮合零件之间的匹配，因此螺纹的加工精度至关重要，它将直接影响丝杠的传动精度、使用寿命和平稳性。

螺纹的制造工艺主要为轧制和磨削两种，其中磨削是加工高精度丝杠螺纹的主要方法，其精度等级范围在 C0-C5，但生产效率低，成本较高，轧制可批量生产，价格低，但精度最高为 C5。根据头豹研究院，目前国际主流企业如 Ewwllix、Rollvis、GSA 等大多采用磨削工艺。

磨削工艺的加工精度较高，根据金属加工公众号，通常用于半精加工和精加工,精度可达 IT8~IT5 甚至更高，表面粗糙度一般磨削为 1.25~0.16μm。 1）精密磨削表面粗糙度为 0.16~0.04μm。 2）超精密磨削表面粗糙度为 0.04~0.01μm。 3）镜面磨削表面粗糙度可达 0.01μm 以下。

行星滚柱丝杠螺纹的加工方式可分为砂轮磨削、硬车削和旋风铣削，其中砂轮磨削需要进行半精磨和精磨，生产效率较低；硬车削和旋风铣削所用到的设备均为 CBN 刀具和数控车床，前者适合加工长度 1m、螺距 6mm 以下的滚柱丝杠，后者适用于较长及长径较大的滚柱丝杠，生产效率较高。

旋风铣削有望成为未来主流。旋风铣削技术更加绿色、高效，与一般的铣削技术相比，旋风铣削在单位时间内切割效率大幅提升，可以实现加工大型螺纹的高效能设备。

旋风铣削有四个特点：（1）减少切削产生的热量：旋风铣削时，产生的切削热可以直接传导进入切屑，凭借细长且薄的特点将热量排出；（2）提高加工精度与表面质量：旋风铣削的 PCBN 材料适用性能良好，进行渐进式的切削切削深度小；（3）提高切削速度，提高生产率，降低加工成本；（4）代替某些制造工艺。我们认为，旋风铣削具备成本相对较低同时提高效率，并且能够较好的解决行星滚柱丝杠生产中需要同时满足效率以及质量的问题，未来有望成为主流。此外，在工艺流程中，热处理也同样是核心要素，热处理可以改善行星滚柱丝杠的材料性能、切割性能等，热处理分为预备热处理和最终热处理，预备热处理负责改善丝杠的切削性能，为最终热处理做准备，最终热处理则负责强化螺纹的硬度提高耐磨性。技术设备的落后、热处理工艺参数不到位会导致热处理结果变差，热处理后变形较大，进而影响行星滚柱丝杠的寿命。

2.3 设备

磨削需要使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对工件表面进行高速切削，磨床在行星滚柱丝杠的生产流程中是必不可少的，高精度磨床可以提升加工精度，丝杠磨床的可磨直径、螺纹距离和最大螺旋升角较高，主要用于丝杠整体的磨削。根据 GGII，目前国产磨床可以满足 C3-C4 精度的中端丝杠加工，但批量加工高端丝杠（C0-C2）时，存在出品不稳定现象。近年来，随着下游机械设备、汽车、电力设备、机器人等行业对于磨削工艺不断提出更高要求，我国精密磨床需求不断上升，根据智研咨询，2022 年我国磨床含量为 6.66 万台，同比增长 2.9%；需求量为 6.2 万台，同比增长 0.5%。

从市场份额来看，根据 QYResearch 数据显示，2022 年中国数控工具磨床占全球市场份额为 14.15%，美国为 19.99%，预计未来六年中国市场复合增长率为 6.24%，并在 2029 年规模达到 226.65 百万美元，同期美国市场 CAGR 预计大约为 5.34%。2022 年，全球前五大生产商分别为 ANCA、WALTER、VOLLMER WERKE Maschinenfabrik、Star Cutter、Rollomatic，分别占据市场份额 13.67%、11.88%、7.70%、6.79%、4.44%。目前我国高端螺纹机床主要取自于欧美日进口，未来随着我国丝杠行业市场空间进一步打开，有望带动相关螺纹机床行业进一步拓展高端市场。

3、行星滚柱丝杠市场前景广阔，国产替代仍需发力

行星滚柱丝杠下游应用广泛，能够应用在新能源汽车、机器人、医疗器械、光学仪器等，根据 DATAINTELO 的数据，2022 年全球行星滚柱丝杠市场规模为 12.7 亿美元。未来人形机器人发展将为行星滚柱丝杠的应用带来巨大的市场空间。预计 2028 年，全球行星滚柱丝杠市场规模将超过 16 亿美元。

我国行星滚柱丝杠行业受限于制造工艺难度高，生产设备有限，总体市场规模较低，根据前瞻产业研究院，参考 Persistence Market Research 的数据，中国滚柱丝杠行业市场规模仅占全球的 5%；结合 DATAINTELO 数据，初步统计，2022 年我国行星滚柱丝杠市场规模约为 4.4 亿元。

从竞争格局来看，中国行星滚柱市场主要由国际企业主导，市场集中度高，Rollvis 和 GSA 两大巨头份额合计超五成，EWELLIX 和 Rextorh，分别占据 14%和 12%的市场份额。南京工艺和济宁博特均在前十范围内，市场份额均为 8%。

我们认为，行星滚柱丝杠将成为人形机器人中的新增量，有望持续受益于人形机器人的带动，但目前行星滚柱丝杠在原材料、制造工艺以及设备均存在一定的壁垒，未来随着国产企业技术的不断进步，有望进一步拓展市场份额。

（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。）