丝杠行业深度报告：核心传动功能部件，国产替代大有可为

华安机械张帆S0010522070003 2023年8月20日 核心逻辑 ➢丝杠作为最常用的机械传动元件之一，广泛应用于机床、工业自动化等多个领域：丝杠是将回转运动转为直线运动或将直线运动转化为回转运动的理想产品，常见丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等，导程精度依次增加。滚珠丝杠具备高精度、可逆性及高效率特点，广泛应用于机床、专用设备领域、工业自动化等多个领域。 ➢台湾、日本及德国龙头企业在我国中高档滚珠丝杠市场占有率超70%，进口替代空间广阔：根据marketresearch数据，全球滚珠丝杠市场预计将由2022年20.96亿美元增长至2029年31.72亿美元，23-29年CAGR达6.1%。其中亚太地区作为最大的市场，2029年预计市场规模将增长至19.38亿美元，23-29年CAGR达6.9%。全球来看，滚珠丝杠市场多被台湾、日本及德国厂商占据，台湾厂商上银、银泰及日本NSK、THK及德国力士乐等龙头企业在国内中、高端市场份额分别达到70%、95%，国产替代空间广阔。我国滚动功能部件制造厂商众多，但多集中于品种单一、技术含量不高的中低档产品，高端领域仍有待进一步突破。 ➢滚柱丝杠导入人形机器人产业链，市场空间有望大幅提升：特斯拉人形机器人Optimus整体躯干共有28个关节执行器，其中线性执行器14个，旋转执行器14个。线性执行器共有3种，分别为肘部2个、腕部4个及腿部8个，配置滚柱丝杠。随全球数字化进程发展，人形机器人发展迅速，有望带动滚柱丝杠产品市场空间大幅提升。 ➢建议关注标的：贝斯特、秦川机床、恒立液压、长盛轴承、鼎智科技 ➢风险提示：技术开发不及预期；下游客户产品接受及产品验证不及预期；市场需求波动风险；核心生产设备进口受限，影响产品生产风险；原材料成本大幅提升影响生产成本风险；研究依据的信息更新不及时，未能充分反映公司最新状况的风险。 目录 1传动功能部件：丝杠产品介绍 2丝杠市场：以外资为主，进口替代空间广阔 3建议关注标的：贝斯特、秦川机床、恒立液压、长盛轴承、鼎智科技 4风险提示 1.1滚珠丝杠的分类及结构 ➢丝杆主要功能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，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，所以其在精度、强度及耐磨性等方面都有很高的要求，因此其加工从毛坯到成品的每道工序都要周密考虑。当前，滚珠丝杆是行业主流产品，相比于普通的丝杆（梯形丝杆），其在自锁性、传动速度、使用寿命和传动效率优势明显。 ➢滚珠丝杆副，又称滚珠丝杆、滚珠丝杠、滚珠螺杆。滚珠丝杆是由丝杆轴和螺母组成，而其中螺母又是由钢球、预压片、反向器、防尘器等组成。 资料来源：金属加工公众号，华安证券研究所 1.1滚珠丝杠的分类及结构 ➢滚珠丝杠安装形式的优劣很大程度上决定设备的运动精度与加工精度。常见安装方式有4种：1）固定+固定；2）固定+支撑；3）支撑+支撑；4）固定+自由。各安装方式所适用的加工情况如下：方式1适用于高速回转、高精度的情况；方式2适用于中速回转、高精度的情况；方式3适用于中速回转、精度不高的情况；方式4适用于低速回转、丝杠较短的情况。 资料来源：深圳汉工精密官网，华安证券研究所 1.1滚珠丝杠的分类及结构 ➢常见的滚珠丝杠包括自润式滚珠丝杠、静音式滚珠丝杠、高速化滚珠丝杠以及重负荷型滚珠丝杠等。从循环方式看，滚珠丝杆包括内循环和外循环两种。常见的浮动式、矩阵式结构为内循环，插管式及端块式或端盖式结构为外循环。 ➢外循环滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。常用外循环方式端盖式；插管式；螺旋槽式。端盖式，在螺母上加工一纵向孔，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，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式，它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。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。 ➢内循环滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。 1.2我国滚珠丝杠产品发展历程 ➢滚珠丝杠产品标准的演变经历了四个阶段。滚珠丝杠是各类数控机床和机电一体化产品的重要配套件，已被国家列为需要振兴的“特定基础件”产品。我国数控机床的发展带动了滚珠丝杠的专业化生产和标准化工作。从70年代初期开始，我国滚珠丝杠产品标准的演变大体上经历了四个阶段: ➢(1)初期起步阶段(1973~1982年)。1973年3月国内首次召开滚珠丝杠系列化座谈会，并产生了我国第一个滚珠丝杠的尺寸系列精度等级规范(试行)。1974年10月我国第一个行业(试行)标准《滚珠丝杠副验收技术条件》出台，并一直试行到1982年。 ➢(2)部标准的诞生与实施阶段(1982~1987年)。1976年JB3162·2-82《滚珠丝杠副精度》等三个部标准发布，主要参考德国的DIN69051标准而制定。它是根据数控机床的要求，用导程误差的直线性和方向目标值控制螺纹全长上导程误差的线性状态和方向的总趋势。 ➢(3)由单纯控制精度到全面控制性能指标的过渡阶段(1987~1991年)。JB3162·1~3-82部标准主要是零件精度标准，它对滚珠丝杠装配后的综合精度、工作性能指标、外观及装质量等未作规定。1985年JB/GQ1098-87《滚珠丝杠副制造与验收技术要求》和JB/GQ·F1061-87《滚珠丝杠副产品质量分等》两个局批企业联合标准发布。在JB/GQ1098-87标准中，参考ISO/TC39/WG7的N179号文件和先进工业国家修订后的新标准，首次制定了“动态空载预紧转矩”、“可靠性”、“防锈”、“包装和运输”等技术要求，作为对JB3162·1~3-82部标准的补充。 ➢(4)在标准化技术委员会的领导下，积极采用ISO标准阶段(1990年至今）。国际标准化组织ISO所属机床技术委员会TC39，于1969年设立滚珠丝杠工作组WG7，我国于1982年10月被接纳为该工作组的通讯成员国。1983年元月我国在全国金切机床标准化技术委员会下面增设了滚珠丝杠工作组，开展了与ISO/TC39/WG7的对口业务活动。1990年10月经国家技术监督局批准，全国金切机床标准化技术委员正式成立滚动功能部件分会，这标志着我国滚动功能部件的标准化工作迈向一个新的台阶。重新修订的JB3162·1~2-91等三个标准等效采用了对应的ISO标准，在行程精度、安装精度和性能指标等方面均达到国际先进水平，为我国滚珠丝杠副产品进入国际市场奠定了基础。 资料来源：知网，华安证券研究所 1.3滚珠丝杠选型 ➢滚珠丝杠的主要性能参数包括：精度等级、轴向间隙、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等。其中精度等级是滚珠丝杠选型时的首要考虑。 ➢1）精度等级：根据使用场合的不同，滚珠丝杠可分为压轧制滚珠丝杠（转造级滚珠丝杠）和精密滚珠丝杠（研磨级滚珠丝杠）。压轧制滚珠丝杠主要用于传送，用于位置精度要求不高的场合，常用经济精度有C7、C10。精密滚珠丝杠主要用于定位精度要求高的场合，精度等级为（C0~C5级），常用精度等级为C3、C5、C7。该精度为导程精度，字母C后面的数字越小表示定位精度越高。 ➢国内分类采用的精度等级有P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10，日本、韩国以及中国台湾省采用JIS等级，即C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧洲国家的标准采用的是IT0，IT1，IT2，IT3，IT4，IT5，IT7，IT10。 ➢2）轴方向间隙：滚珠丝杠的螺母与丝杠轴向的间隙值，一般在0~0.12mm左右，轴向间隙影响物体移动的重复精度（一般在0~+/-0.02mm）。 ➢3）容许轴向负载：容许轴向负载指相对于可能使丝杠轴发生屈曲的负载，确保其安全性的负载。施加于丝杠轴的最大轴向负载须小于容许轴向负载。 ➢4）容许转速：滚珠丝杠的转速取决于必要的进给速度和滚珠丝杠的导程，且须小于容许转速。滚珠丝杠的容许转速小于与丝杠轴固有振动一致的危险速度的80%。 ➢5）寿命：滚珠丝杠的寿命是指滚珠滚动面或任一滚珠因交变应力而产生疲劳，直至开始产生剥落现象时的总旋转次数、时间、距离。 ➢6）导程：导程为滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转一周（2π弧度，即360°）时的行程。常见丝杠导程有：4、5、6、8、10、12、16、20、32、40、50、60、80、100 1.4滚柱丝杠分类及结构构成 ➢行星滚柱丝杠主要由三个部件组成即丝杠、滚柱、螺母。其中丝杠是牙型角为90°的多头螺纹，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力，降低摩擦，提高效率。螺母是具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹。若干个滚柱沿丝杠圆周方向均匀分布，当丝杠旋转时，滚柱既绕着丝杠轴线公转又绕自身轴线自转。滚柱与螺母具有相同的螺旋升角，与螺母啮合时能够确保纯滚动并且没有相对轴向位移。行星滚柱丝杠的结构形式主要是通过滚柱相对于丝杠和螺母的运动关系来分类，主要有5种结构形式分别为标准行星滚柱丝杠、反向式、循环式、轴承环式和差动式。这5种结构形式均包括丝杠、滚柱和螺母三大部件。 1.4滚柱丝杠分类及结构构成 ➢每种滚柱丝杠都有其独特优势和其适合的场合: ➢标准式行星滚柱丝杠是一种高精度大负载的设计，可以提供非常稳定的驱动扭矩，丝杠多应用于大负载，高速及高加速度应用。滚柱和螺母上的特殊齿轮，使丝杠即使在最恶劣的条件下也能保持良好的运动状态。➢反向式行星滚柱丝杠，滚柱不沿丝杠进行轴向运动，其行程运动是在螺母的内螺纹。这一设计通过较小的导程实现更高的额定负载，从而降低驱动扭矩。更紧凑的尺寸使直接导向成为可能。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。➢循环式行星滚柱丝杠是循环滚柱设计，滚柱是导向在一个托架中，其运动方式由一套凸轮来控制，此设计结合了极高的定位精度，分辨率和刚度并且同时保证了极高的负载力。此设计适用于高精度，中低速运行。➢差动式行星滚柱丝杠最大的特点是具备差动运动，可以获得比一般行星滚柱丝杠更小的导程，当应用于机电作动器时，在其他条件不变的情况下，可以获得更大的减速比，且因其紧凑的结构可以使机电作动器具有更高的功率体积比和功率质量比，更适应高速重载的工作场合。➢轴承环式行星滚柱丝杠上的推力圆柱滚子轴承大大提高了其承载能力，同时也减小了各构件间的磨损，增大了传动效率，其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。但其存在着结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等缺点。 资料来源：知网、华安证券研究所 1.5滚柱丝杠应用领域 ➢滚柱丝杠从发明至今已有80多年历史。1942年，瑞典人Carl Bruno Strandgren申请了行星滚柱丝杠的第一个发明专利，在这10多年后申请了带螺旋升角的专利，随后一系列相关的专利相继出现。1986年Carson ,WilliamW.申请了差动性滚柱丝杠副的专利；同年，Oliver Saari年申请了轴承环型滚柱丝杠的专利；1996年，Erhart ,Timothy A.申请了包含差动轴承环型滚柱丝杠的线性马达专利。从此，行星滚柱丝杠逐步产品化生产。 ➢行星滚柱丝杠应用领域广