机器人丝杠行业专题报告：关注产品迭代和国产化

机器人丝杠行业专题报告：关注产品迭代和国产化1.丝杠：直线滚动部件，高壁垒卡脖子技术1.1丝杠：机械基础部件，衍生类型众多丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动（或者相反传递）的机械部件。丝杠主要由丝杆、滚子、螺母三部分组成，其传动原理为：电机为螺母（或丝杠轴）提供旋转运动的动力，通过滚子与螺母、丝杠轴之间的摩擦力，带动丝杠轴（或螺母）进行直线运动，因此广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中，如压力机械、注塑机、医疗设备、钢铁冶金、机床、机器人等。根据传动原理的不同，丝杠可分为滑动丝杠（三角、梯形等）、滚动丝杠（滚珠丝杠、行星滚柱丝杠）等类型。①滑动丝杠：由丝杠轴和螺母组成，结构最简单，常见滑动丝杠的牙型（螺纹的轮廓形状）多为梯形，优势为技术成熟、成本低、能够自锁，但传动效率、精度和承载能力等性能较低，主要应用于低速、低精度、低负载机械设备中。②滚珠丝杠：由丝杠轴、螺母、钢球（滚珠）、密封圈等组成，工作原理为在丝杠和螺母上分别加工圆弧形螺旋槽，这两个圆弧格合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相时运动。由于是滚动摩擦，相对于滑动丝杠而言，具有高精度、可逆性、高效率、摩擦力小、磨损小、寿命长等优势，同时缺点在于结构和工艺复杂，成本较高。在三种类型丝杠中，滚珠丝杠的应用领域最为广泛，机床、机器人、汽车、医疗设备、工程机械等均有应用。③行星滚柱丝杠：由丝杠轴、螺母、行星滚柱、保持架等组成，其原理类似于滚珠丝杠，丝杠轴带有螺纹，为滚柱提供螺旋滚道，行星滚柱替换滚珠作为螺母和丝杠之间的载荷传递元件。当丝杠轴旋转时，滚柱围绕丝杠做行星运动，通过螺旋传动原理将丝杠旋转运动转换为螺母的直线运动。相比滚珠丝杠，行星滚柱丝杠的承载力大幅提升，但制造难度和成本也大幅增加，目前用于需要高负载领域，对滚珠丝杠进行补充替代。根据精度性能要求，丝杠可分为低端、中端和高端，对应不同的精度等级，适用于不同的下游场景。按照国内精度等级，精度分为P1-5、T7、T10，其中P1级精度最高，依次逐渐降低；按照日韩和中国台湾省采用的精度等级JIS，精度分为C0，C1，C3，C5，C7，C10，其中0级精度最高。①精度要求低：智能家居、电动工具、汽车等消费类工具对丝杠的精度要求较低，目前主要使用梯形丝杠和中低端滚珠丝杠；②精度要求高：工业机械设备对精度有一定要求，不同类型设备对精度的要求不同。一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。丝杠应用场景广泛，典型应用场景包括汽车、机床、半导体设备、医疗设备、机器人和航空航天等。①新能源汽车部件：随着汽车电动化和智能化发展，丝杠在汽车领域的应用不断加深，如汽车轮边线控刹车系统(EMB)、后轮转向系统(iRWS)、线控转向系统(SBW)、悬挂系统等，以及对汽车部件的调节控制装置。②数控机床：丝杠是机床标准核心零部件之一，机床包含旋转轴和直线轴，直线轴由丝杠和导轨组成。③自动化生产线：非标自动化化设备和产线涉及大量的直线运动部件，如自动化生产物料传输系统、食品包装产线、电子产品装配产线、坐标轴机器人等，丝杠能提供高精度和高重复性的运动控制。④注塑机、工程机械设备：过去工程机械、注塑机等主要采用液压缸作为直线往复运动的执行装置，而电动缸相比传统的液压缸和气动缸，具有清洁、高效节能、消除漏油风险等优势。随着电动化和节能化趋势，这些领域呈现电动缸替代传统液压缸的趋势。⑤人形机器人：行星滚柱丝杠是人形机器人线性执行器的核心部件，具有承载能力强的有点，海外的特斯拉、德国慕尼黑大学的LOLA机器人，国内理工华汇、开普勒采用了这一技术路线。⑥航空航天领域：航空领域如飞机襟翼开合系统、飞行器舵机扇面开合系统等采用了丝杠，对丝杠精度、承载力、工作寿命和对恶劣环境的适用性有严苛要求。1.2壁垒：技术壁垒筑高集中度，材料设备工艺为核心丝杠作为装备基础部件，对设备性能起到至关重要的作用，经过数十年的发展和迭代，已构筑起很高的进入壁垒，可总结为材料、设备、工艺经验等方面。1）材料是机械部件的制备基础，通常需要特种钢或其他金属材料进行制备；2）设备决定了机械部件的加工精度和效率，设备和零部件之间往往形成反哺关系，专业化设备进行零部件的专业化加工；3）工艺经验是机械部件中无形但十分重要的部分，因为机械部件加工需要较为复杂的工艺流程，各环节都需要经验的积累。具体来看：（1）壁垒一：材料是丝杠的制备基础丝杠对原材料要求严苛。丝杠在反复运动过程中会受到连续振动、冲击和摩擦，因此对于材料的强度、刚性、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性、承载力等一定要求，普通的金属材料无法满足需求，通常需要特种金属材料来进行制备。根据博特精工官网，丝杠材料根据不同工作环境、精度、负载等要求，所采用的材料也存在区别，常见材料包括渗碳钢、硬化不锈钢、非合金（碳素）结构钢（如45、50钢）、低合金工具钢、轴承钢等，稀有元素Cr/Mo的元素配比及加工工艺等因素影响材料的稳定性、熔点和刚度等性能。原材料质量欠佳和后续热加工工艺不当为国内丝杠较进口丝杠性能存在差距的原因之一。国外丝杠与国产丝杠均采用加入了Mo元素的优质合金结构钢，但是国产Cr/Mo钢滚珠丝杠的性能与国外进口丝杠仍存在一定的差距。国外同类滚珠丝杠的原材料类似于国内的45Cr钢，但其表面感应加热淬硬层的硬度梯度分布相对国产Cr/Mo钢滚珠丝杠更趋于合理，表面硬化层、过渡层到心部的金相组织均优于国产Cr/Mo钢滚珠丝杠。相比之下，国产Cr/Mo钢存在明显的带状偏析组织，导致国产Cr/Mo钢各部位元素分布不均，在实际使用中易断裂，导致丝杠性能存在差距。（2）壁垒二：设备决定丝杠的加工精度。丝杠的加工流程冗长而复杂，其中最为核心的是精加工环节，需要用高精度的磨床。丝杠的加工误差受到机床设备的影响极大。为强化滚珠丝杠的精度保持性，一般要求丝杠经过淬火处理之后再完成磨削，磨削过程中会产生三种误差：机床误差、加工系统误差以及随机误差，其中机床误差是影响滚珠丝杠螺距精度的最主要因素之一。高精密机床设备的不足是国产丝杠相距进口丝杠性能有所差距的原因之二。我国虽为全球第一大机床生产国，但整体大而不强，机床数控化率、机床平均加工精度仍有待提。全球机床领军企业多集中于日美德国家，精密机械传动零部件同样也是机床实现高精度加工的关键，机床与核心精密零部件可相互促进，国内精密机械传动部件和高端数控机床均依赖进口。国内制造高精度磨床的厂家较少，且在精度、稳定性等方面和世界顶尖设备有差距。（3）壁垒三：工艺经验依靠时间与经验积累，应用-迭代的闭环由于丝杠的加工流程冗长而复杂，原材料的配方、热处理的温湿度、机床的参数调整等诸多因素均会对最终丝杠的性能造成影响，丝杠制造厂商需要较长时间的积累才能掌握全部工艺，并且应用和反馈中不断迭代和优化。从全球来看，目前海外高端丝杠的领先企业均有悠久的历史和长期的积累，例如，BoschRexroth（德国）、NSK（日本）、THK（日本）、Kuroda（日本）、上银科技（中国台湾省）等企业均在丝杠领域深耕数十年甚至上百年。2.滚珠丝杠：核心精密传动部件，下游应用广泛2.1将旋转运动转换成线性运动，可实现精密进给滚珠丝杠是工具机械和精密机械中最常使用的传动元件，由丝杠轴、滚珠螺母和滚珠等组成。其工作原理为在丝杠和螺母上分别加工圆弧形螺旋槽，两个圆弧格合起来形成螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。作为关键的精密传动、定位、执行元件，滚珠丝杠主要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，具备高精度、可逆性好、摩擦阻力小和高效率的特点。时至今日，滚珠丝杠已经走过了百余年的发展历程，应用场景也从初期以汽车转向机构为代表的“敏捷省能传动”逐渐扩展到以数控机床进给装置为代表的“精密高速驱动”，以及各类自动化设备、机器人等领域，成为高速、高精度、重载等传动需求的常用解决方案，由于摩擦阻力小，也被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠精度以任意300mm轴向行程内定位误差来区分，不同设备对精度要求不同。滚珠丝杠选型过程中涉及到众多参数，主要影响丝杠性能的包括公称直径、导程、长度、螺母形式、丝杠精度等。关于丝杠精度，我国采用的国标等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，其中1级精度最高，依次逐渐降低。日韩及中国台湾省主要采用JIS等级，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下即可，高精度数控机械主要选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械精度则需达到C3以上。市场上的滚珠丝杠主要有以下几种分类方式：1）根据滚道形状的不同主要分为单圆弧滚道和双圆弧滚道，也称半圆形和歌德型。①单圆弧滚道：磨削螺纹滚道的砂轮成型比较简便，加工精度较高。但是滚道型面的接触角不容易控制，随着初始间隙和轴向载荷大小不同而变化，使得传动效率、承载能力以及轴向刚度变得不稳定。②双圆弧滚道：磨削螺纹滚道的砂轮成型较为复杂，滚道型面的精加工较为困难，但接触角变化很小，可以认为始终是45°，所以其传动效率、承载能力和轴向刚度均较为稳定，性能比单圆弧轨道更好，机床上普遍采用双圆弧滚道的丝杠。2）根据螺母的循环方式不同，分为内循环和外循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触，通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式可分为端盖式、插管式和螺旋槽式：端盖式是在螺母上加工出一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环；插管式用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大；螺旋槽式是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。内循环是指滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠及反向器四部分组成，螺母的侧孔安装圆筒凸轮式的反向器，反向器上铣削加工有S形的滚珠反向槽，连接相邻的两个丝杠轨道。滚珠从螺纹轨道进入反向器，通过反向器越过螺纹齿顶进入相邻轨道，实现循环。相比外循环，内循环滚珠丝杠的优点是径向尺寸紧凑，刚性好，相对来说制作简单、成本低，因其返回滚道较短，故摩擦损失小。适用于高灵敏、高精度传动、不宜用于重载传动。其缺点是反向器加工困难，且受循环器尺寸所限，滚珠循环及散热条件差，制约了丝杠高速旋转。3）根据预紧的方式和承载能力的不同，分为单螺母滚珠丝杠和双螺母滚珠丝杠。单螺母滚珠丝杠有两种预紧方式：①使用直径较大的滚珠预紧；②变位导程预紧。双螺母的预紧方式有：①垫片预紧；②螺纹预紧。单螺母总长度小，负载轻，方便装卸，成本低，适用于比较小、传动速度快、精度要求不高的设备；双螺母负载比较大，是单螺母的两倍，稳定性强，精度高，多用于比较大的设备传动。在实际应用中，双螺母预紧方式由于高刚度高精度的特点被广泛应用于高负载高精度的滚珠丝杠中。2.2机床领域需求稳健增长，国产替代空间广阔滚珠丝杠具有高精度、高效率等特点，用于实现机床工作台、主轴等部件的精密进给。滚珠丝杠具有结构简单、精度高、传动效率高等特点，主要用于实现高精度的线性或旋转运动，并承受较大的负载。在数控机床中，滚珠丝杠被用于驱动工作台、主轴和刀架等部件，实现机床工作台和刀架的横向及纵向精密进给，实现主轴高速、高精度的运动控制和加工操作。一般情况下，单个轴向的运行机构由两套滚动直线导轨及一根滚珠丝杠副组成，驱动运动部件实现精确移动。随着机床数控化及高端化占比不断提升，预计到2030年我国机床用滚珠丝杠市场将稳健增长至64亿元。1）金属加工机床消费额：根据中国机床工业协会数据，2022年我国金属加工机床消费额1843.6亿元（274.1亿美元），同比下降1.9%。当前我国机床市场已发展至较为成熟的阶段，我们假设未来机床市场保持小幅稳定增长，年复合增速2%。2）总成本占比：根据纽威数控、海天精工、国盛智科主营数控机床公司的2022年年度报告，三家公司毛利率均值约为27%，考虑到国内其他非上市企业及非数控机床厂商面临相对更低的毛利率，我们假设机床行业毛利率22%，总成本占比为78%。未来随着数控化率逐渐提升，我们假设机床行业毛利率逐年上涨0.3pct，即总成本占比逐年下降0.3pct。3）传动部件占总成本比例：根据纽威数控招股书，2018-2020年传动部件占纽威数控总成本比例平均为14.9%。考虑到成形机床对传动部件的要求相比切削机床较低，假设成本占比约10%。根据2022年我国1843.6亿元金属加工机床消费额中，切削机床消费额1240.3亿元，成形机床消费额603.3亿元，计算得到2022年传动部件占机床总成本比例为13.3%，考虑到未来数控机床产业持续升级和高端化，我们假设传动部件成本占比每年提升0.3pct至2030年的15.7%。4）滚珠丝杠价值量在传动部件占比：根据纽威数控招股书，机床传动部件包括主轴、导轨、丝杠、轴承和齿轮等。我们假设丝杠价值量在传动部件中占比25%。技术壁垒筑高市场集中度，过半市场或仍待国产替代。滚动功能部件全球市场被日本NSK、THK等国外企业垄断，根据秦川机床公告，全球CR5市占率达到约46%，日本和欧洲丝杠导轨企业占据了全球约70%的市场份额。根据金属加工公众号，目前高端滚珠丝杠市场中，中国大陆品牌市占率5%，中国台湾省上银及银泰等占比5%，其余90%份额被德国和日本等品牌垄断；中端滚珠丝杠市场中，中国大陆品牌占30%，中国台湾省品牌占40%，德国和日本等海外品牌占30%。3.行星滚柱丝杠：重型丝杠，应用领域逐渐打开3.1行星滚柱丝杠：重负载&高速丝杠，结构方式多样行星滚柱丝杠是一种重负载、重型、高速的丝杠。行星滚柱丝杠主要由丝杠轴、螺母、行星滚柱等器件组成，其原理为：丝杠轴带有螺纹，为滚柱提供螺旋滚道，行星滚柱替换滚珠作为螺母和丝杠之间的载荷传递元件，在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠；当丝杠轴旋转时，滚柱围绕丝杠做行星运动，通过螺旋传动原理将丝杠旋转运动转换为螺母的直线运动。根据结构组成及运动关系的不同，行星滚柱丝杠分为标准式、循环式、轴承环式、反向式、差动式等不同结构形式，它们以各自独特的结构特点及其优势适用于不同的场合。①标准式行星滚柱丝杠：标准式行星滚珠丝杠是目前应用最广泛的类型，其他类型均是为了适应于不同的应用环境而演变而来。标准行星滚柱丝杠的原理为：丝杠轴作为动力输入端，螺母与负载连接，滚柱在丝杠的作用下在螺母和丝杠之间做行星运动和轴向移动；内齿圈固连在螺母上，滚柱端齿与内齿圈啮合保证滚柱在螺母上为滚动。标准式行星滚柱丝杠能够实现较大行程，适用于环境恶劣、高负载、高速等场合，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域。②循环式行星滚柱丝杠：相比于标准式，循环式行星滚柱丝杠去掉了内齿圈，增加了凸轮环结构，其功能类似于滚珠丝杠的返回器，目的是为了让滚柱在螺母内旋转一周后回到初始位置，另外其滚柱上无螺纹、齿轮结构，为环槽状，环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，其安装在具有凹槽结构的保持架上。由于循环式行星滚柱丝杠增加了参与啮合的螺纹数量，因此具有较高的刚度和较大的承载能力，应用于要求高刚度、实现精确定位和提高分辨精度场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。其缺点在于其凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题。③反向式行星滚柱丝杠：反向式行星滚柱丝杠结构形式与标准式类似，不同之处为，螺母为主动件，丝杠为输出构件，其优势在于可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，形成结构紧凑的一体式机电执行器（C-EMA），C-EMA可替代传统液压、气压伺服作动系统用于航空、航天、船舶、电力等领域；主要缺点为行程受到螺母内螺纹长度的限制。反向式行星滚柱丝杠主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景。④轴承环式行星滚柱丝杠：轴承环式行星滚柱丝杠的滚柱与循环式相同，为环槽结构，相比于标准式减少了内齿圈，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了其承载能力，同时减小了各构件间的磨损，增大了传动效率，主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域；缺点在于结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等。5）差动式行星滚柱丝杠：差动式行星滚柱丝杠与标准式相比，去掉了内齿圈，滚柱上也没有齿轮段。其滚柱、螺母均为环槽结构，且滚柱的环槽分为多段，其中小中径段与螺母啮合，大中径段与丝杠啮合；其特点为导程更小，适用于中速、传动比较大的应用场合；缺点在于运动过程中，螺纹会产生滑动现象，在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失，可靠性降低等问题。3.2相比传统丝杠性能更优，渗透率逐步提升行星滚柱丝杠相比滚珠丝杠的性能更优。滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触；而行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是线接触；因此，行星滚柱丝杠具有高负载、耐冲击、体积小、高速等优点。①优势一：承载能力及寿命更强高承载能力：在相同接触表面硬度、光洁度与精度的条件下，滚柱丝杠比滚珠丝杠具有更多的接触点，滚柱接触面的包络圆曲率半径亦远大于滚珠丝杠钢球的曲率半径，这就决定了滚柱丝杠比普通的滚珠丝杠具有更高的承载能力。高刚度、抗冲击能力和长寿命：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠都适用于赫兹Hertz定律。由赫兹Hertz压力定律，可以得出：行星滚柱丝杠能承受的静载为滚珠丝杠的3倍，寿命是滚珠丝杠的15倍。一体化的螺母组件很容易从丝杠轴分离，滚动体及相关零件不会散落，便于安装与维修。对恶劣的环境（低温、粉尘、化学沉积、无润滑等）的适应能力较强。②优势二：导程和节距灵活，体积小，节省空间行星滚柱丝杠的导程可以比滚珠丝杠制造的更小。由于行星滚柱丝杠的导程与节距成函数关系，导程可以小于0.5mm或更小。行星滚柱丝杠的导程可以设计计算为整数或小数(例如：每转移动3.32mm)，将不需要减速齿轮来配比，导程的变化并不会给丝杠轴和螺母带来任何的几何尺寸变化。而滚珠丝杠的导程受到滚珠的直径限制，因而导程将是标准的。此外，在相同载荷的情况下，行星滚柱丝杠体积比滚珠丝杠小1/3的空间。②优势三：速度和加速度更高行星滚柱丝杠能够提供更高的旋转速度和更高的加速度。RGT和RGTB系列的行星滚柱丝杠设计机构中的滚柱为非循环式，而滚珠丝杠机构中的滚珠为循环式的，这将使行星滚柱丝杠的旋转速度是滚珠丝杠的2倍，加速度将达到3g。最高线速度可达2000mm/s，输入旋转转速可达5000rpm或者更高。最大加速度可达3g。行星滚柱丝杠在精密数控机床、重型机械、医疗器械、武器装备、航空航天等领域具有广阔的应用前景。在直线传动领域，市场上比较典型的技术有液压传动、滚珠丝杠传动、凸轮连杆传动以及链条传动等。相比于其他传动技术，行星滚柱丝杠具有承载能力强、轴向刚度大、传动效率高、使用寿命长、动态性能好、适用性强和安装维护方便等诸多优点，是智能高端装备的理想功能部件。滚柱丝杠结构复杂，制造难度和成本较高，因此市场规模较小，供应商数量较少且集中于欧洲。根据Persistenscemarketresearch数据，2023年全球行星滚柱丝杠市场规模预计可达3亿美元，预计2033年将达到5.6亿美元。行星滚柱丝杠产能主要集中于欧洲、美国等，国内企业起步较晚，规模较小，国内市场主要依靠海外进口。根据王有雪《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》，2022年海外巨头在国内市占率约占80%。世界范围内生产滚柱丝杠并参与市场竞争的厂家主要有：Ewellix（瑞典）、Rollvis（瑞士）、GSA（瑞士）、Rexroth（德国）、CMC（美国）、南京工艺（中国）、济宁博特（中国）、优仕特（中国台湾）等。2022年国内行星滚柱丝杠厂商市场份额占比约为19%，国外领先制造商Rollvis、GSA和Rexroth的市场份额占比分别为26%、26%、12%。3.3人形机器人打开未来想象空间特斯拉研发的人形机器人Optimus采用行星滚柱丝杠作为执行器传动部件。2022年9月30日，特斯拉人形机器人原型机Optimus于AIDay亮相，“Optimus”拥有28个身体执行器，其中14个旋转执行器，14个线性执行器。线性执行器由驱动器+无框力矩电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+四点接触轴承+深沟球轴承等构成，其中行星滚柱丝杠为核心传动部件，用于将电机输出的旋转运动转换为直线运动。1）行星滚柱丝杠在承载能力、寿命、速度、加速度、刚度和抗冲击能力等方面都有明显优势。Optimus采用3种线性执行器，分别输出500N、3900N和8000N，主要用在手腕、髋、膝、踝等位置。在特斯拉展示的视频中，Optimus的单个线性执行器能够拉起半吨的钢琴，说明其腿部拉力很强。2）行星滚柱丝杠应用在机器人关节领域，可以支持机器人快速、精准地完成动作。丝杠本身具有较强传动功能，例如直径仅为3.5毫米的滚柱丝杠，可以推动高达500磅的负载并执行微米和亚微米范围内的运动，可以更好地模拟人体关节运动。较高的力尺寸比和力重量比可以使机器人快速、精准地完成动作，提高工作效率和精度，而高精度丝杠能够提供高精度和高重复性的运动控制，保证机器人的动作精度和稳定性。4.磨削&冷轧两大类工艺，旋风铣有望成新趋势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，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，制造精度可以达到P1级，非常适合给高精度设备做定位部件。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，P5级别以上的精度都需要进行磨制加工。磨制有多道工序，大致分为粗加工、半精加工和精加工三阶段，粗加工常用方法有砂轮磨削、硬车削、旋风铣削：1）砂轮磨削：粗加工最常用的工艺方法就是采用砂轮磨削磨制出90°V型槽。但这种工艺方法经磁力探伤检测后，会发现在滚道的圆弧上，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”，或采用“磨—滚道表面温度稳定—磨”的方法解决，最大幅度降低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：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：在机床上配套安装高速铣削螺纹动力头，刀盘上装有多只均匀对称的高强度成型铣刀，加工时，刀盘与工件同向旋转完成顺铣，工件低速旋转，刀盘高速旋转，工件每旋转一周，刀盘沿着工件轴线移动一个螺纹导程的距离，从而实现整个螺纹滚道的加工。在切削过程中，只有旋转到靠近工件一侧才能进行切削，远离工件的刀具有足够的散热时间。相比一般铣削，旋风铣可以提高金属切除效率，并且切削中产生的大部分热量都被切屑带走，使得工件获得良好的加工精度和表面质量。旋风铣技术最早是在上世纪六七十年代作为一项革新技术在我国推广，目前在国内南京工艺、汉江机床、山东博特等公司都有应用，未来渗透率有望进一步提升。旋风铣技术主要选择PCBN刀具配合加工。高性能的刀具为旋风铣削提供了主要的技术支持和保障，综合考虑机床性能、加工要求、经济性等多方面因素，PCBN刀具适合用于螺纹旋风硬铣削加工。将PCBN刀具应用于硬态切削中可以改善传统“淬硬-磨削”的制造工艺，可以对硬度大于50HRC的淬硬钢进行直接切削，这种以铣代磨的工艺不仅能够提高工件生产率，降低能耗、提高工件的疲劳强度，而且成本低廉、绿色节能。PCBN刀具具备高硬度、耐磨等诸多优势：1）高硬度与高耐磨性：CBN材料与金刚石有着相似的晶体结构与晶格常数，且有相同化学键类型，二者的硬度与强度也极为相似。切削耐磨材料时PCBN刀具的耐磨性是硬质合金的50倍。2）性能稳定：具有很高的热稳定性与化学稳定性。CBN材料的耐热性高达1500℃，高于陶瓷与硬质合金的常温硬度。同时化学性能稳定，在1200~1300℃不与铁等材料反应，在2000℃以下不与碳反应。3）导热性良好：CBN材料导热性是硬质合金的20倍，仅次于金刚石，导热系数随温度升高而增加。4）摩擦系数较低：PCBN材料摩擦系数随温度升高而减小，大约为0.1~0.3。高精度滚珠丝杠还需要后续的半精加工和精加工。精加工主要以砂轮磨削为主，核心设备是高精度螺纹磨床。旋风铣不仅可以提高丝杠加工效率，随着设备及工艺的不断进步其加工精度也在提升，目前旋风铣已经可以实现C3-C5精度级别的加工，能够满足在大多数通用加工中心的应用要求，如需更高精度则需要进一步磨削加工。5.产业链梳理5.1丝杠：多领域逐步渗透，有人才&设备&成熟产品的公司具备先发优势贝斯特：全面布局滚珠丝杠赛道，有望于2024年迎来批量订单贝斯特主要专注精密零部件和智能装备及工装产品，近年业务逐步延伸至高端航空装备制造及工业自动化装备领域，进军滚珠丝杠赛道。根据公司公告信息，2022年1月，贝斯特设立全资子公司宇华精机，基于精密加工多年积累，全面布局直线滚动功能部件，落实“高端装备核心滚动功能部件研发及产业化项目”，该项目将引进生产及检测等进口设备约300台套（其中研发设备70台），配套软件及系统、公辅设施等30余套。项目建成后，主营产品包括高精度滚珠丝杠副、高精度滚动导轨副等，将瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业三大市场进行大力开拓。目前贝斯特首台套滚珠丝杠、导轨产品已经成功下线并送样，有望于2024年迎来批量订单。恒立液压：精密加工工艺深厚，募投项目重点布局滚珠丝杠项目恒立液压是国产液压件制造商，产品包括液压油缸、液压泵阀、油缸配件、液压系统、挖掘机专用油缸等，目前规划布局滚珠丝杆精密传动部件。根据公司公开信息，2021年9月，公司通过非公开发行方式募集资金，其中线性驱动器项目重点发展滚珠丝杠，达产后将形成年产104,000根标准滚珠丝杆电动缸、4,500根重载滚珠丝杆电动缸、750根行星滚柱丝杆电动缸、100,000米标准滚珠丝杆和100,000米重载滚珠丝杆的生产能力。恒立液压之所以能进军滚珠丝杠赛道，是凭借多年在液压领域的深厚积累，拥有精密加工制造能力，具备生产滚珠丝杆的技术、工艺和设备基础，能够实现滚珠丝杠产品的高质量生产。秦川机床：磨齿设备供应商，滚珠丝杠实现国产化推广应用秦川机床是中国机床工具行业骨干，产品主要包括磨齿机，螺纹磨床，数控机床，机器人关节减速器，加工中心等。近年来，公司以高端数控机床业务为引领，转型为高端装备、丝杠导轨等综合业务。根据公司公开信息，秦川机床子公司汉江机床可生产2级、3级精度的滚珠丝杠、直线导轨，有较高的精度保持性，完全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。五洲新春：精密轴承产品覆盖多行业，积极布局机器人丝杠领域五洲新春主业为轴承、精密机械零部件等领域，涵盖精密锻造、制管、冷成形、机加工、热处理、磨加工、装配、精密零部件全产业链，轴承磨前技术达到全球先进水平。在丝杠业务方面，公司于2021年开始研发汽车转向系统丝杠螺母轴承组件，2023年上半年研发成功电子驻车、电子机械刹车和电子液压刹车系统等领域的滚珠丝杠产品。根据公司公告，公司已经和主流机器人系统供应商在机器人轴承及滚珠丝杠、滚柱丝杠等领域展开深入技术交流，产品处于前期打样阶段，未来将重点跟踪机器人下游客户和最终用户的技术发展方向并布局相关产品。鼎智科技：深耕微特电机、丝杠部件和螺母技术，线性执行器具备先发优势鼎智科技深耕微特电机行业多年，产品包括线性执行器、混合式步进电机、直流电机、音圈电机及其组件等，在全球线性执行器产品领域内，公司是较少数具备丝杠部件和螺母部件独立生产能力的企业，2022年自制丝杠及螺母占比均达90%以上。公司在线性执行器领域全球市占率达10%，仅次于美国海顿。在人形机器人领域，公司可以供应丝杠和空心杯电机。2023年6月，公司投资设立一和起（常州）智能科技有限公司，从事精密微型丝杠的研发、生产、销售。根据公司公开平台表示，公司目前可做T型丝杠，微型行星滚柱丝杠处于研发中；空心杯电机领域，公司攻克了绕线工艺、绕线成型、线包固化等多项技术难点，具备空心杯电机自动化批产能力，并具有高性能和性价比优势。恒而达：主业金属切削工具，直线导轨副产品开启产业化恒而达主营业务为金属切削工具、智能数控装备及高精度滚动功能部件——直线导轨副。目前，金属切削工具已进行产品系列化开发，并推出配套使用的数控装备产品。对于直线导轨这一亟待国产化的领域，公司基于20余年积累的金属热处理技术与金属加工工艺的同源性，2022年正式启动高精度滚动功能部件（直线导轨副）的产业化工作。根据公司公告，公司的滚珠丝杠副产品尚在研发中，后续待该产品成功量产推出市场时，可以借助公司直线导轨副产品建立的成熟销售网络快速实现市场投放。长盛轴承：主营自润滑轴承，定增扩产滚珠丝杠公司主业为自润滑轴承和高性能聚合物，产品涵盖自润滑轴承、低摩擦副零部件及相应的精密铸件。2022年公司发布定增预案，计划投资2.65亿元用于扩建年产自润滑轴承16,700万套、滚珠丝杠3万套。根据公司公告，公司滚珠丝杠产品主要应用于商用车变速箱，乘用车制动、转向及驻车系统；目前已经取得商用车主机厂定点，其他乘用车客户正在开发过程中。滚珠丝杠产品暂未应用在人形机器人上，但具备相关的生产能力，公司将持续推进相关开发