丝杠行业：人形机器人量产前夜，国内企业加速入局助推进口替代
（报告出品：天风证券）
引子
滚珠丝杠简介
丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动的机械部件，广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中。电机通过联轴 器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机的旋转力矩转化为设备运动 所需要的直线方向的驱动力。
丝杠从设计结构角度分为：梯形丝杠、滚珠丝杠以及滚柱丝杠。其中，梯形丝杠中无滚动体，靠滑动摩擦传递推力，传 动效率较低；滚珠和滚柱丝杠具有钢球或螺杆型的滚动体，靠滚动摩擦传递推力，传动效率较高。当前，滚珠丝杠是行 业主流产品，相较之梯形丝杠，其在传动效率、传动速度、使用寿命等方面的优势明显。
滚珠丝杠副的定义：其是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动 转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛运用于各种工业设备、 精密仪器、精密数控机床。
滚珠丝杠副的结构：滚珠丝杠副按循环方式分为：内循环端 块式(DK)，内循环端盖式(DG)，内循环浮动式(F)，内循环 矩阵式(J)和外循环插管式(C)。
行星滚柱丝杠工作原理
标准式行星滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成，它主要是依靠 多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚 柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象， 保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相 对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方 面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通 过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度。
相较其他直线机构，行星滚柱丝杠具有大承载、长寿命、响应速度快和小体积等优势；相较 滚珠丝杠，滚动丝杠的承载能力主要取决于滚动体之间接触面的曲率半径，接触点数目以及 接触面硬度与光洁度。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。
滚珠丝杠工艺：磨削 VS 冷轧
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，制造精度高达到P1级，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，一般在设备中做传动部件。
在实际生产过程中，由于各方面原因共同作用的结果，丝杠旋转一周，而工作台并非恰好行进一个螺距，这样就会形成螺距 误差。滚珠丝杠螺距误差来源大致可以分为静态误差、动态误差和随机误差，这三种误差又包括很多种，其中机床误差、砂 轮磨损和弹性变形以及热变形误差对螺距误差影响较大。
行星滚柱丝杠属于新一代丝杠，技术壁垒较高
行星滚柱丝杠副的技术壁垒主要体现在：1）加工精度：行星滚柱丝杠副是通过螺纹啮合来实现精密传动，因此滚道表面粗糙度宜采用较高精度等级。同时，行星齿轮的 齿形较小，为了保证行星滚柱丝杠副的装配精度，齿轮副的也应采用较高加工精度等级。2）工件材料：行星滚柱丝杠副在工作时，丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性和频繁的振动、冲击及摩擦，导 致丝杠副的温度升高，且随着转速和承载的提高，温升会显著增大，最终导致滚道磨损、蠕变松弛、热变形、疲劳、屈服等。因此，应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高、温度适应性较好、切削性能及经济性较好的材料。3）表面热处理：分为预备热处理和最终热处理两大类。预备热处理可以改善丝杠切削性能、消除残余应力；最终热处理可以提 高螺纹的表面硬度及耐磨性。目前，国内高转速、高承载的精密行星滚柱丝杠副精度及可靠性差是制约热处理发展的重要因素；不当的热处理工艺会使行星滚柱丝杠副的寿命降低。4）磨削工艺：行星滚柱丝杠副承载能力较大，且其螺纹牙经过热处理后硬度较大，因此螺纹加工采用磨削方法。螺纹磨削利用 砂轮替代车刀、铣刀进行加工，因此磨削精度受磨削工艺参数、砂轮参数、磨削力与磨削热、磨削液的选用及数控磨床综合性 能等因素的影响。
丝杠部件市场空间广阔，国内企业加速 布局将推动国产替代
国内企业起步虽较晚，但未来发展空间较为充分
国内企业起步较晚，正逐步向国外追赶：滚珠丝杠在国外起步早、发展快、技术成熟，欧美市场在高端滚珠丝杠制造领 域占据垄断地位，并且广泛应用到各下游领域；国内虽然起步较晚但发展迅速，市场规模快速增长，同时国内大型生产 企业技术逐渐提升，有望逐步实现国产替代。
国产滚动功能部件行业通过多年共同努力与协作发展，一改之前经济型采用国产比例较大，中高档采用进口比例较大的局面， 一方面，进口品牌已经延伸到经济型应用领域，国产品牌与进口品牌的采用比例接近；另一方面，国产品牌在中高端的应用 比例显著提升，全面参与竞争；但在精度、寿命及可靠性和供货周期上还需不断提升，同时在突破精度保持性及可靠性的技 术基础上，稳定实现滚动功能部件高精度、高可靠性的规模化生产，也是重中之重。
滚动功能部件应用场景广泛，数控机床为第一大下游
应用场景：滚动功能部件下游应用领域包括数控机床、机器人、航空航天/军工、汽车、轨道交通等；目前国内数控机床、 机器人与生产线、航空航天与军工为滚珠丝杠最主要的应用场景。在新能源汽车应用中，销量逐年上升的同时追求全电控、智能化发展，带动滚珠丝杠下游需求增长。在机床应用中，全球机床厂供应链中主轴、摆头、转台等功能部件多数机床厂出于定制化或差异化考虑倾向于自产自销， 但滚动功能部件基本全部外采，因此机床产业升级滚动功能部件需求持续增长的确定性较强。在机器人应用中，丝杠是诸多零部件中价值量较高的一环；根据观研报告网，Tesla Optimus的成本中丝杠占机器人总制 造成本的12.07%，其中行星滚柱丝杠占比9.85%，滚珠丝杠占比2.22%，仅次于电机的成本占比。
国内丝杠供需缺口明显，但竞争加剧致使价格下滑
从国内行业供需情况来看，滚珠丝杠需求量大于产量，行业供需缺口明显；根据华经产业研究院，2021年中国滚珠丝 杠（滚珠丝杠副）供需缺口为423万套，2022年或将达到448万套；同样作为丝杠产品领域“皇冠”的行星滚柱丝杠也 面临行业供需缺口问题。
从价格走势来看，近年来随着我国滚珠丝杠副行业市场竞争加剧，国内企业向中高端市场渗透，外资品牌积极抢占经济 型产品市场份额，行业市场竞争显著加剧，使得行业市场价格总体呈现下降态势。国内滚珠丝杠均价从2014年225元/ 套下降至2021年181元/套，预计2022年市场价格将降至180元/套，下降速度逐渐趋缓。
欧洲、日本企业主导高端市场，行业集中度较高
滚珠丝杠竞争格局：
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