机器人行业新技术专题(三)：冷锻工艺极限精度C3兼具高效率低成本优势

图表21：不丝精要求，性比杠艺的择 11图表22：冷和铣工艺比 11图表23：同个上形螺和轮加工的比较 12图表24：行滚丝专利术域布 12图表25：主专权排名 12AI图表1：人形机器人发展情况来源：20/图表2：丝杠是机器人木桶短板，当前设备瓶颈极大来源：。（2图表3：螺纹加工方法分类来源：王旭《行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究》，1988-2021图表4：截至2021年行星滚柱丝杠专利分布一级技术二级技术19881989199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020211研究1.1总体结构设计21123227211573114710713751422261623393138372736131.2啮合机理与接触特性研究1511.3静刚度与变形研究11.4载荷分布与均载方法研究211231.5摩擦机理与传动效率研究1122.1车削工艺研究121111112.2砂轮廓形修整及保持技术121111133442822.3深孔内螺纹制造技术研究1311111131145436210413142.4大长径比外螺纹制造技术研究1111133123.1检测技术研究1233.2测量试验研究11344224531133.3刚度特性试验研究11133213.4测量试验研究111117431155来源：田青《行星滚柱丝杠技术专利分析》，（属5-10低车材利率于70一致差寿命等题因此2014年赵吨张伟采滚压形法2017图表5：螺纹滚柱通过模具一次性成型来源：《螺纹滚柱轧制工艺研究》，图表6：车铣磨工艺与冷锻工艺加工精度对比极限精度加工精度表面粗糙度加工速度车0.1μIT7~IT5Ra0.04-0.01μm快铣-IT16~IT8Ra0.63-5μm快磨好于0.01μIT8~IT5甚至更高好于Ra0.01μm慢车+铣+磨好于0.01μ较快冷锻-C5，极限下C3,快冷锻+磨好于0.01μ--较快来源：荷兰汉布雷格机床公司官网，《金属切削刀具与机床》，宝飞螺官网，调研资料，，属维连的流型组结紧，使纹强大提，抗强提升20以，抗强升5-10，度升40上（2）精：用挤压式工螺，纹孔张极，螺行位差成Ra0.4-0.8（4）（5）图表7：冷挤压内螺纹相比切削具备较多优势考核指标冷挤压相比切削内螺纹优势强度提升。拉强提高20以上，剪强提高5~10，内纹表的冷硬化层约为0.15mm，硬度提高40以上内螺纹精度提升。螺纹孔扩张量极小，内螺纹行位误差小，成形精度高，质量稳定表面质量提升。挤压丝锥的挤压棱齿表面对内螺纹表面产生挤光作用，成形后的内螺纹表面光洁度极好，表面粗糙度可以达Ra0.4-0.8耗材更省。加工过程中没有切屑产生，大幅提升材料的利用率深孔和盲孔加工更适合。由于挤压过程中不需要清除切屑，从而避免了因排屑困难或切屑拥塞而导致的丝锥崩刃、折断来源：陈鑫《内螺纹冷挤压工艺的研究现状与发展趋势》，C31831HazardKnowles图表8：挤压技术的国外发展历史时间应用国家应用领域状态18世纪末法国软金属铅、锡第一次世界大战后德国有色金属铝质及锌质电容器充体1937年德国军工批量冷挤压钢弹壳1947年德国、美国冷挤压技术正式进入民用企业迅速得到广泛运用速扩大发展速扩大发展精密仪器工业中日本1957首次引入冷挤压技术用于钟表等很快向汽车、电器行业应用并快来源：伊作芳《冷锻件生产过程开发项目质量管理研究》，C5C32020C5C3工作行程lu[mm]目标行程误差ep[μｍ]公差等级>≤0135710031546工作行程lu[mm]目标行程误差ep[μｍ]公差等级>≤0135710031546122352210来源：宝飞螺官网， 来源：宝飞螺官网，图表11：螺纹牙数和运行时影行星滚柱丝杠精度 图表12：滚柱丝杠精度损失表粗糙度增加而增加0.0170.016精度损失率(μｍ/h)0.015精度损失率(μｍ/h)0.0140.0130.0120.0110.0100.0090.008Ra0.3 Ra0.5 Ra0.8 Ra1.6表面粗糙度(μｍ)来源：杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》， 来源：杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》，材料的硬度和弹性模量的增加将提高丝杠精度。在行星滚柱丝杠中，丝杆、滚柱和螺母的螺纹滚道表面硬度通常为58-62HRC图表13：丝杠精度损失率与料度呈反向关系 图表14：丝杠精度损失率与料性模量呈反向关系精度损失率(μｍ/h)0.0108精度损失率(μｍ/h)0.0104

0.0096精度损失率(μｍ/h)0.0092精度损失率(μｍ/h)0.0100 0.00880.0096 0.00840.00920.0088

54 56 58 60 62材料硬度(HRC)

0.0076

1/1.5 1/1.2 1/1 1/0.8 1/0.5弹性模量比来源：杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》， 来源：杜兴《行星滚柱丝杠承载与摩擦特性研究》，图表15：行星滚柱丝杠专利申请图显示其还在成长期来源：田青《行星滚柱丝杠技术专利分析》，2015：2020图表16：滚压行星滚柱丝杠制作流程来源：《一种行星滚柱丝杠用滚柱及制造方法》，成本？冷锻成本预比车铣磨低50+,主要益于加工速度提升由于行星滚柱丝杠技术路径不同，各家的参数也处于保密阶段，我们在此对各参数进行假设后测算。20/800/台（500台热处理设备方面，车铣磨工艺假设需要50万元，冷锻工艺假设需要15万元。假设设备按十年折旧。3-105同时工作才能拉平与冷锻床的加工速度，因此对应车铣床相应成本为4000万元。图表17：滚压螺纹相比切削有效率低成本优势 图表18：滚压螺纹效率较传车加工提高近十倍生产率（件

螺纹滚压机床 螺纹车削机床80/min）60402000 10 20 30 40螺纹直径（mm）来源：齐会萍《螺纹冷滚压理论与工艺参数研究》， 来源：王旭《行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究》，1818/2/10分钟/个/台。则单个行星滚柱丝杠综合加工时间为34分钟。160001kg16铣和锻艺材料用分为60，对原料本别为27、18元根。图表19：车铣磨工艺VS冷锻工艺成本对比测算项目车铣磨冷锻流程数值冷锻数值车铣磨冷锻设备价格（万元）冷镦20冷镦204.724.72车铣4000滚压机500944.44118.06磨2000磨2000472.22472.22热处理50热处理1511.813.54总设备成本（万元）607025351,433.19598.54-58%材料利用率60%90%2718-33%合计成本（元/根）1,460616-58%来源：测算测算果示冷工的综成本在想况比车磨约58。磨的备旧本材本约1460/根，冷锻工艺约616元/根。主要差异来自于加工效率上的不同。丝杠加工工艺的性能成本四象限图综上所述，成本上看，行星滚柱丝杠成本是冷锻<车铣<磨；由于冷锻的加工效率是切削加工的2-10倍，加工过程中使用的设备量少且材料利用率高，因此具备较低的成本。C5C30.1μC0图表20：丝杠加工工艺的性能&成本四象限图来源：C5（）C3C5（；C3图表21：不同丝杠精度要求下，高性价比丝杠工艺的选择精度要求高性价比工艺附加条件C5前段冷镦，中后段冷锻①产业链摩擦成本较低C3-C5前段冷镦，中后段冷锻①+②材料具备较好的匀质性高于C3前段冷镦，中段冷锻，后道磨床①+②+③先锻后磨的工艺成熟来源：宝飞螺官网，图表22：冷锻和车铣磨工艺对比工艺路线优点缺点冷锻性价比高：成本低，效率高，绿色环保，强度大，一致性好技术不成熟：冷锻滚柱丝杠尚无批量成熟案例；摩擦成本；产业链配套不成熟车铣磨技术较为成熟，产业链当前主流路线一致性低，加工速度较慢，材料利用率较低来源：《内螺纹冷挤压工艺的研究现状与发展趋势_陈鑫》，车铣磨技术较为成熟，其困境在于速度较低。若单磨床的效率提升（通过多线磨头工艺、复合磨床工艺等），且高精度磨床实现自主研发以大幅降低磨床价格，同时大幅提升磨床产量，则采用磨床工艺最优。否则前道还是需要叠加车铣工艺，同样若车铣的技术改进使得加工速度大幅提升至冷锻水平，则车铣磨的方式会持续沿用，并减少换技术路线的摩擦成本。图表23：同一个轴上成形螺纹和齿轮的加工工艺的比较成形方法设备数量设备复杂程度成形过程成形时间现有成形方法减材/切削加工≥2普通设备按先后顺序切削成形螺纹和齿轮比较长