机床行业系列专题（三）：丝杠--核心传动部件

证券研究报告：机械设备|深度报告 2023年9月24日 市场有风险，投资需谨慎 请务必阅读正文之后的免责条款部分 行业投资评级 强于大市|维持 行业基本情况 收盘点位 1471.95 52周最高 1606.0 52周最低 1298.09 行业相对指数表现（相对值） 资料来源：聚源，中邮证券研究所 研究所 分析师:刘卓 SAC登记编号:S1340522110001 Email:liuzhuo@cnpsec.com 研究助理:傅昌鑫 SAC登记编号:S1340123050006 Email:fuchangxin@cnpsec.com 近期研究报告 《政策再发力，加速迈入制造强国—七部门机械行业稳增长方案点评》 - 2023.09.04 机床行业系列专题（三）：丝杠--核心传动部件 ⚫ 投资要点 丝杠是数控机床核心传动元件。丝杠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的传动零件，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。其广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域的传动控制系统之中。根据摩擦特性不同，可以将丝杠分为滑动丝杠、滚动丝杠（滚珠丝杠和滚柱丝杠）和静压丝杠。滚珠丝杠副主要由丝杠、滚珠和螺母组成。滚珠丝杠的主要性能参数包括精度等级、轴向间距、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等，其中精度等级是最重要的因素。滚珠丝杠产业链上游主要是制造滚珠丝杠副的原材料和零部件产业，下游广泛应用于机床、航空航天、汽车、冶金、工业机械、医疗等领域。滚动丝杠的未来迭代趋势是行星滚柱丝杠，主要变化是负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠，在传动平稳性、负载能力、转速及加速度、寿命等性能方面更具备优势。全球滚柱丝杠市场未来十年预计成长至5.57亿美元，考虑到行星滚柱丝杠能够在定位方面达到更高的导程精度和稳定性，未来有望规模应用于高端精密数控机床领域。 市场供需缺口显著，进口替代叠加产业链筑基需求。从市场规模看，全球滚珠丝杠市场持续高速成长，在2029年有望达到31.72亿美元的规模。我国是滚珠丝杠产品消费的重要市场，近年来保持高增速。国内市场滚珠丝杠供给端持续弱于需求端，行业供需缺口不断扩大，支撑着滚珠丝杠产品单价下降趋缓，保持较高韧性。从竞争格局看，全球滚珠丝杠市场行业集中度高，国内品牌在中高端市场占比较低。国内滚珠丝杠行业基数低但增长迅速，有望乘风实现国产替代。在产品端进口替代的进程之外，我国核心制造业产业链可靠性“筑基”需求亟待实现。国内品牌滚珠丝杠产品性能参数同国外产品存在差距，主要系国内磨床水平较低和淬火等工艺经验积累不足。磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削工艺的核心设备是高精度磨床，所以设备精度决定了滚珠丝杠的性能下限，如今在国家政策的扶持下，国产厂商将能够获得更多新产品的验证机会，有望加速产品迭代进程，真正实现自主可控及可靠性“筑基”。 国产滚珠丝杠厂商发力正当时。建议关注国内滚珠丝杠领先厂商。1）汉江机床（秦川机床）：母公司为上游精密磨床领先制造商，滚珠丝杠已量产出货；2）南京工艺：国资委实际控股，多年深耕滚珠丝杠；3）贝斯特：特斯拉直接供应商，大举进军滚珠丝杠产业；4）恒立液压：以定增布局标准及重载滚珠丝杠，项目投产在即。 ⚫ 风险提示： 下游需求不及预期风险；导入机床供应链进度不及预期风险等。 -9%-6%-3%0%3%6%9%12%15%18%2022-092022-122023-022023-042023-072023-09机械设备沪深300 请务必阅读正文之后的免责条款部分 2 目录 1 数控机床传动系统核心：丝杠 ............................................................... 4 1.1 丝杠——高精度传动部件 ............................................................... 4 1.2 滚珠丝杠的结构、分类及选型 ........................................................... 6 1.3 滚珠丝杠产业链上下游 ................................................................. 9 1.4 未来技术发展趋势：行星滚柱丝杠 ...................................................... 10 2 市场供需缺口显著，进口替代叠加产业链筑基需求............................................. 14 2.1 滚珠丝杠供需差不断扩大，价格居高不下 ................................................ 14 2.2 中高端进口替代空间大，产业链可靠性“筑基”需求迫切 ..................................... 16 3 国产滚珠丝杠厂商发力正当时 .............................................................. 17 4 风险提示 ................................................................................ 19 请务必阅读正文之后的免责条款部分 3 图表目录 图表1： 丝杠的分类、特点及其应用 ....................................................... 4 图表2： 滑动丝杠示意图 ................................................................. 5 图表3： 静压丝杠示意图 ................................................................. 5 图表4： 滚珠丝杠（下半）与行星滚柱丝杠（上半）结构对比图 ................................ 6 图表5： 滚珠丝杠副示意图 ............................................................... 6 图表6： 滚珠丝杠副的组成 ............................................................... 6 图表7： 几种常用循环方式示意图 ......................................................... 7 图表8： 滚珠丝杠副不同循环方式比较 ..................................................... 8 图表9： 滚珠丝杠选型所需参数 ........................................................... 8 图表10： 精度等级与任意300mm行程内行程变动量V之间的对应关系 ........................... 9 图表11： 滚珠丝杠产业链 ............................................................... 10 图表12： 行星滚柱丝杠常见类型技术参数 ................................................. 11 图表13： 滚柱丝杠精度等级标准 ......................................................... 12 图表14： 全球滚珠丝杠市场规模及远景空间预测（百万美元）................................ 13 图表15： 2022年国内滚柱丝杠市场份额情况 ............................................... 13 图表16： 2015-2029E全球滚珠丝杠市场规模及增速情况 ..................................... 14 图表17： 2014-2022E中国滚珠丝杠市场规模及增速情况 ..................................... 15 图表18： 2014-2022E中国滚珠丝杠市场供需情况 ........................................... 15 图表19： 2014-2022E中国滚珠丝杠单价走势（元/套） ...................................... 15 图表20： 中国滚动部件高端市场份额情况 ................................................. 16 图表21： 中国滚动部件中端市场份额情况 ................................................. 16 请务必阅读正文之后的免责条款部分 4 1 数控机床传动系统核心：丝杠 1.1 丝杠——高精度传动部件 丝杠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的传动零件，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。其广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域的传动控制系统之中。在机床上，它是用以完成进给运动的重要元件，不仅要精确地传递运动过程，还需要能够传递一定的动力，在精度、强度、耐磨性等各方面均有较高要求。 图表1：丝杠的分类、特点及其应用 滑动丝杠 滚珠丝杠 滚柱丝杠 静压丝杠 传动效率 低，仅24%-26% 高，可达92%-98%，可显著节能 较高，摩擦力较小时可达90% 传动效率高，可达99% 摩擦 滑动摩擦发热严重，一般转速不超过3000RPS 点接触滚动摩擦热效应小，额定转速在3000-5000RPS 线接触滚动摩擦热效应小且承载力强，转速可达6000RPS 根据支撑流体不同分为液体和气体静压，摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零 导程精度 低，品质参差不齐 较高，受滚珠直径限制，常为毫米级 高，可通过调整螺纹头数等因素使导程达到更小的微米级 能实现无间隙正反向传动，定位精度高 使用寿命 短，滑动摩擦对元器件的损伤大 长，滚动摩擦损伤小，可达滑动丝杠的10倍左右 很长，显著高于滚珠丝杠，荷载运动可达1000万次以上 由于静压螺母与丝杠并不接触因此无磨损，寿命长 传动精度 难以实现微进给，存在爬行现象，螺纹间有侧向间隙，反向时有空行程 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高 传动具备可逆性，油膜能够均化螺母误差，传动精度很高 自锁性 有，与导程角大小和工作面粗糙度有关 不能自锁 不能自锁 不能自锁 国产化率 充分 达60%以上 处于起步阶段 仍未进入实用化阶段 应用举例 广泛用于金属切削机床进给和分度机构的传导螺旋摩擦压力机及千斤顶的传力螺旋 随机电一体化技术而迅速发展起来，广泛运用于各种精度的数控机床、加工中心、FMS柔性制造系统、电子设备、宇航设备、各种仪器仪表、交通运输起重装卸机械、机器人等场景。近年滚珠丝杠市场需求高速递增，应用领域迅速扩大 精密机床进给及分度机构的传导螺旋,如高精度螺纹磨床、非圆齿轮插齿机变型机床等 资料来源：《机械设计手册》第六版（成大先），观研天下，中邮证券研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分