丝杠行业研究：关注利润率、空间、设备潜在“超预期”机会

投资逻辑 丝杠利润率可能“超预期”：丝杠加工流程长工艺复杂，材料、热处理、设计、粗精加工、检测环环相扣涉及大量“Know How”具有较高壁垒。一方面其中涉及较多难以逆向的内容，例如以一个进口丝杠作为对比，在不知道其具体采用钢材的化学成分情况下采用不同材料生产最终性能会不同，而即使采用了类似化学成分的材料，若热处理工艺不成熟，表面硬度梯度分布不合理、金相组织不均匀等问题也会导致丝杠性能打折扣，需要不断试错来优化工艺。另一方面我们认为，“能造丝杠”和“能造更好的丝杠”之间有较大差异，丝杠本就是多SKU赛道企业需要拥有面向多种不同应用场景进行设计的能力，而丝杠设计中的小变化就会导致性能出现较大差异，终端用户除精度外更看重丝杠的动态特性、精度保持性等指标，如何快速打造出一套“设计-制造-检测”的闭环正向研发体系至关重要。以丝杠龙头中国台湾上银科技作为参考，上银科技21至23年综合毛利率分别为36%/36.55%/31.07%（同时包含了直线导轨、工业机器人等产品，单看滚珠丝杠毛利率或更高），能够实现突破的中国大陆丝杠头部企业后续也有望实现较高利润率。 丝杠空间可能“超预期”：根据IMARC信息，全球精密滚珠丝杠24年市场空间16亿美元，预计到2033年达到24亿美元，期间复合增速4.3%，主要看好医疗、航空航天、半导体等领域市场，我们认为除这些方向外，工业母机、人形机器人、汽车领域也有较大成长空间。 工业母机：丝杠与导轨配套使用为工业母机传动和定位的关键零部件，根据我们测算23年中国工业母机丝杠+导轨市场空间为181.6亿元人民币。根据秦川机床公告信息，中国台湾上银科技、银泰科技市占率接近50%，日本NSK、THK市占率约15%，中国大陆企业占有率仅约25%，有较大进口替代成长空间。 人形机器人：自特斯拉首次发布“Optimus”人形机器人并采用行星滚柱丝杠作为线性执行器后，丝杠在人形机器人领域的应用加速走向成熟，目前多家企业推出了将丝杠作为手臂、腿部、灵巧手线性执行器的方案，有较好应用前景。 根据我们测算，假设平均一台人形机器人采用10支行星滚柱丝杠，平均价格800元/支，在人形机器人达到百万台出货量时对应80亿元人民币潜在市场空间，具有爆发式成长潜力。 汽车：L3级及以上智能驾驶进一步强化了对底盘的要求，线控转向、线控制动（刹车+驻车）、主动悬架等场景均需要更智能、响应速度更快的线性执行器，目前通过电机+丝杠+传感器构成的线性执行器有较好应用前景。例如舍弗勒推出的创新后轮转向系统目前就使用了行星滚柱丝杠，整个系统结构紧凑、重量轻、运行安静且易于整车集成，国内部分丝杠公司开发的汽车丝杠产品也已经完成了交样，25年有望看到汽车丝杠进一步放量，未来有更大成长空间。 丝杠设备重要性可能“超预期”：在丝杠有较大潜在成长空间背景下，设备企业作为“卖铲人”有较强需求确定性，同时考虑到人形机器人、汽车等下游领域会有较强降本诉求，设备端也存在技术升级迭代的新机会。建议关注一部分新技术带来的机会，例如通过以车代磨、以铣代磨实现降本，这会带来硬车床、旋风铣床、超硬刀具的需求；同时建议关注部分弹性大的环节例如螺纹磨床，根据我们测算百万台人形机器人出货量对应44至89亿元人民币螺纹磨床市场空间，而原先的市场规模较小，若国内企业能实现国产替代突破会有较大成长弹性。 投资建议 考虑丝杠赛道高壁垒后续头部企业有望实现高利润率，同时丝杠在工业母机、人形机器人、汽车等领域应用前景广阔，丝杠企业和“卖铲人”设备企业均有较好成长前景，建议关注贝斯特、恒立液压、秦川机床。 风险提示 国产替代进展不及预期、人形机器人产业化进展不及预期。 1.丝杠为线性驱动核心部件 1.1丝杠为机械传动核心部件，通过滚珠丝杠副实现线性驱动应用广泛 机械传动方式通常包括螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动等，传动系统的性能直接影响设备的精度、稳定性和响应速度。 图表1：传动机构基本要求 丝杠螺母传动将旋转运动变换为直线运动（或相反传递），可以用于传递能量（螺旋压力机、千斤顶等）或传递运动（机床进给丝杠），通常包括以下四种基本传动形式。 图表2：丝杠螺母主要包括四种基本传动形式 丝杠螺母机构有滑动丝杠螺母机构和滚珠丝杠螺母机构之分，滚珠丝杠由于使用滚珠传递运动，相比普通滑动丝杠成本高，但具有明显优势： 1）传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达92%～96%，是普通梯形丝杠的3～4倍，功率消耗减少2/3～3/4。 2）灵敏度高、传动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦因数相差极小，因此低速不易产生爬行，高速传动平稳。 3）定位精度高、传动刚度高。用多种方法可以消除丝杠螺母的轴向间隙，使反向无空行程，定位精度高，适当预紧后，还可以提高轴向刚度。 图表3：滚珠丝杠副传动效率高于普通滑动丝杠 滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互切换的传动装置，滚珠丝杠和滚珠螺母上都加工有弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭的滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。 由丝杠轴和螺母之间装入滚珠进行转动的单元是滚珠丝杠，由于滚珠需要循环，所以由丝杠轴、螺母、滚珠以及循环部件组成。 图表4：滚珠丝杠的循环方式 滚珠丝杠主要承受轴向载荷，它的径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此，对滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。 图表5：滚珠丝杠两端常用支承形式 1.2行星滚柱丝杠在承载能力、传动效率、寿命等方面更具优势 行星滚柱丝杠最早在1942年发明，但是由于结构复杂、加工难度大和成本高，一直没有得到广泛应用。行星丝杠与滚珠丝杠主要的区别在于负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚柱。 图表6：行星丝杠通过螺纹滚柱来传递负载 行星滚柱丝杠相比滚珠丝杠，在承载能力、传动效率方面具有显著优势。 图表7：行星滚柱丝杠副相比滚珠丝杠副，在承载能力、传动效率方面具有显著优势 基于行星滚柱丝杠开发的电动缸性能更优。 图表8：基于行星滚柱丝杠开发的电动缸性能更优 1.3精度是区分丝杠等级的一个核心指标 国内的滚珠丝杠按照GB/T 1800.1-2009标准分为8个标准公差等级，根据丝杠的用途分为定位（P型）和传动（T型），P0级精度为最高的精度等级。 图表9：国内丝杠标准公差等级 丝杠的精度指标包括导程精度、轴向间隙、安装部精度等，其中导程精度是衡量丝杠精度关键指标，导程是指丝杠旋转一周螺母所移动的距离，导程精度反应了丝杠实际导程和理论导程之间的偏差程度。 图表10：导程精度是衡量丝杠精度的关键指标 以JIS B 1192（ISO 3408）精度标准为例，同样精度等级的丝杠在螺纹部有效长度不同的情况下导程精度的容许值也不同。 图表11：同样精度等级的丝杠在螺纹部有效长度不同的情况下导程精度的容许值也不同 2.丝杠利润率可能“超预期”：丝杠制造困难重重，预计高壁垒带来较高利润率 丝杠加工流程长工艺复杂，材料、热处理、设计、粗精加工、检测环环相扣涉及大量“Know How”，以丝杠龙头中国台湾上银科技作为参考，上银科技21至23年综合毛利率分别为36%/36.55%/31.07%（同时包含了直线导轨、工业机器人等产品，单看滚珠丝杠毛利率或更高），我们认为能够实现突破的中国大陆丝杠头部企业后续也有望实现较高利润率。 图表12：丝杠的加工流程较长，材料、热处理、设计、粗精加工、检测环环相扣涉及大量“Know H ow” 2.1第一难：材料/热处理工艺 要实现高精度、高刚度、长寿命丝杠的制造，材料的选用以及配套的热处理工艺至关重要。 最基础的丝杠制造材料为GCr15高碳铬轴承钢，其典型化学成分为1%C、1.5%Cr，采用高碳铬合金体系，约0.5%的C固溶基体产生固溶强化，以获得58HRC以上的高硬度，满足轴承高承载和高接触疲劳性能要求，剩余的C与Fe和部分Cr结合生成(Fe,Cr)3C碳化物弥散分布于基体上满足轴承耐磨性的需求。Cr部分形成碳化物以外，其余固溶于基体当中，提高轴承钢的淬透性和耐蚀性能。 图表13：钢材不同的化学成分会对性能产生较大影响 除了材料化学成分的区别外，热处理工艺也会对丝杠的最终性能产生较大影响，热处理的目的是获得细小均匀的集体组织和析出相，经过正火、深冷、回火、淬火等热处理工艺获得内外均匀一致的马氏体、残留碳化物等第二相和少量残余奥氏体等的组织状态。 图表14：新型热处理工艺后的M50钢组织得到大幅度细化 在丝杠的加工过程中通常会经过多次热处理，涉及了冷热工序与加工的配合、淬火加热温度、设备选择等大量“know how”。 图表15：丝杠加工过程会经过多次热处理 从《国产Cr／Mo钢滚珠丝杠与国外同类产品的质量分析》中的案例看，其选取的国外丝杠和国产丝杠在化学成分基本类似的情况下，国外丝杠由于硬度梯度分布更合理、金相组织更均匀，整体性能优于国产丝杠。材料升级和热处理工艺优化是实现国产替代必不可少的一环。 图表16：材料升级和热处理工艺优化是实现国产替代必不可少的一环 感应淬火是改善丝杠机械性能最有效的途径之一，可以控制加热深度还具有加热速度快、节能、环保及成本低等优点。 图表17：丝杠中频感应淬火示意 2.2第二难：设计 丝杠是一个多SKU的产品，其不同型号的区别一方面来自于具体应用设备的负载、精度、速度、行程等要求，一方面也来自于丝杠的类型、型面设计等。 图表18：丝杠是多SKU产品，采购时有较多考虑因素 以滚珠丝杠为例，滚珠丝杠的公称直径、滚珠体的直径、螺旋升角、滚珠丝杠导程、工作滚珠数、工作滚珠圈数与列数、滚珠螺母外径、滚珠螺母螺纹底径、滚珠丝杠螺纹外径、滚珠螺母长度、滚珠丝杠长度等结构尺寸都可作为设计变量。 图表19：滚珠丝杠的变形关系和受力分析较为复杂，需要考虑的设计变量较多 行星滚柱丝杠主要通过螺纹牙啮合来进行传动，其螺纹牙的设计对丝杠的性能也会造成较大影响。 图表20：行星滚珠丝杠的螺纹牙设计也会对性能产生较大影响 在设计上的小修改就会导致丝杆的性能出现较大变化。 图表21：不同的修形量会让螺纹牙载荷分布造成较大影响 根据《行星滚珠丝杠副滚柱的设计方法与虚拟装配》信息，行星滚柱丝杠的设计流程较为复杂。 图表22：行星滚柱丝杠的设计较为复杂 相比出厂精度等指标，丝杠使用时的动态特性、精度保持性等指标更加重要，我们认为如何构筑一套“设计-制造-检测”的闭环正向研发的体系来实现丝杠性能优化更加困难，主要由于试验时间往往需要长达数年时间。 图表23：通过正向设计实现丝杠动态特性、寿命优化难度较高 例如机床行业在丝杠使用时会出现的象限突起问题，当圆周运动的象限切换时（即两个滚珠丝杠的驱动方向切换），滚珠丝杠的摩擦特性会发生变化，由于这种象限突起，在加工表面上会出现类似条纹的图案，导致加工表面质量恶化。 图表24：象限突起会导致加工过程出现条纹 NSK在2021年推出了抑制插补象限突起的滚珠丝杠技术，依靠NSK独有的摩擦控制技术与高精度评价技术，大幅降低了滚珠丝杠反向运转时的摩擦波动。 图表25：N S K2021年推出了抑制插补象限突起的滚珠丝杠技术 2.3第三难：粗精加工 滚珠丝杠加工一般分为磨削加工与冷轧加工，冷轧加工通过冷加工工艺模具制造，批量生产后成本低，但是通常精度控制有限；磨削加工通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，可用于给高精度设备作为定位部件。 根据KSS信息， C5 以上精度等级的滚珠丝杠一般采用研磨加工(精密滚珠丝杠),C7、C10级的滚珠丝杠则采用冷轧加工。对于无滚丝模(冷轧加工模具)的型号，也可采用研磨加工生产C7、C10级产品。 图表26：丝杠加工一般分别磨削加工和冷轧加工 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，工艺较为复杂。 图