2023丝杠行业国产替代、市场空间与机遇、相关企业及发展趋势分析报告

目录 一、行业概述............................................................................1二、市场壁垒............................................................................5三、国产替代............................................................................9四、市场机遇...........................................................................18五、相关企业...........................................................................20六、市场空间...........................................................................23七、发展趋势...........................................................................26 一、行业概述 1、丝杠：精密传动部件，下游应用广泛 丝杠是一种可以使旋转运动变成直线运动的传动副零件，其优势在于高速运动下保证定位精准，由于摩擦力较低，其传动效率可达90%。丝杠对于精度以及强度要求都较高，原因在于丝杠不仅需要精确地确定工作台位置从而将旋转运动变为直线运动，还需要传导动力，在精度、强度、耐磨性等方面均提出较高要求，故而丝杠的加工工艺以及原材料都有较高要求。 常见的丝杠类型：包括梯形丝杠（滑动丝杠）、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。 2、梯形丝杠：技术成熟工艺简单，但精度与效率低 梯形丝杠是一种滑动运动，适用于慢速、精度要求不高等领域。梯形丝杠由螺杆和螺母组成，螺杆上布有梯形螺纹，依靠螺母与螺杆的旋合传递运动和动力，是完全依靠机械接触产生滑动，是一种滑动运动，其传动效率30-70%（低于滚珠90%+），且其高速发热明显，更适用于低速运动，同时精度较低为C10以上（滚珠最高可到C0级），但其有自锁功能（滚珠无，需外加零件）。梯形丝杠多应用于数控机床、自动输送系统、测量设备等。 梯形丝杠加工工艺简单，主要为切销工艺，已经成熟广泛推广。梯形丝杠加工方式有滚压、切削和研磨三种制造方式，从精度看研磨（15um/300mm）>切削（50um/300mm）>滚压（90um/300mm），但由于研磨成本高10倍以上，目前多采用切削方式，技术简单，工艺成熟。切削工艺中，目前多用旋风铣销丝杠设备，可替代此前的车削工艺，可将铣丝、滚花一次完成，减少表面粗糙度。 3、滚珠丝杠：精度高应用广，但国产技术仍待提升 滚珠丝杠是滚动运动，传动效率高、精度高。滚珠丝杠由丝杆、螺母、滚珠、回珠器主要部件构成，核心部分是滚珠，滚珠位于丝杆的螺纹槽内，同时与螺母的螺纹槽接触。当丝杠旋转时，滚珠在丝杆和螺 母之间滚动，实现力的传递和直线运动。回珠器一般分为内循环式和外循环，在轻载和小型丝杠情况下用内循环，反之使用外循环。 滚珠丝杠工艺分为研磨与轧制，已国产化，但高精度产品技术仍待提升。滚珠丝杠加工核心在于滚道制作，螺母的螺纹采用研磨技术，而丝杆可采用研磨和轧制两种工艺。轧制是采用冷加工工艺模具制造，自动化程度高，适合大批量生产，成本低，但精度偏低一般为C7级以上；而研磨工序长，从热处理、粗加工（车削）、到精磨（磨削），效率低，但精度高，一般为C7级以下，可达到C0级。国产技术已突破，但高精度产品技术仍需提升，全球滚柱丝杠市场空间超120亿。 4、滚柱丝杠：性能更优，但加工难成本高，空间待开发 行星滚柱丝杠是线接触的滚动运动，具备滚珠优势，同时承载力更强、寿命长、体积小。行星滚柱丝杠由主丝杆，6-12根滚柱，螺母，轴承盖和齿套筒组成，与滚珠丝杠的结构相似，区别在于其载荷传递元件为螺纹滚柱，是线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而能有更高载荷和抗冲能力，同规格的滚珠丝杠的载荷是滚珠的3倍，寿命是滚珠的15倍，同载荷情况下，体积是滚珠的1/3。 根据不同的结构设计，滚柱丝杠分为循环式、非循环式、反转式等，其中特斯拉人形机器人采用反转式，难度更高。反转式滚柱丝杠：螺母作为主动件（长度长，加工难度大），丝杆为输出构件（滚柱围绕丝杆旋转，区别于围绕螺母旋转），没有内齿圈，优势在于结构紧凑，用于小行程工作场景。循环式：去掉了内齿圈，增加返回器（凸轮环结构），滚柱可在螺母内旋转一周后归位，增加螺纹数量，具有更高刚度，用于医疗器械、精密仪器等。非循环：增加壳体、端盖、圆柱滚子轴承等部件，承载力强，应用于重型机械、石油化工等，成本高。 滚柱丝杠与滚珠有同源性，但综合性能更优，加工难度大及未大规模生产限制成本下降。滚柱丝杠与滚珠丝杠其运动原理类似，且加工设备基本相同，工艺具备同源性。滚柱丝杠综合性能更优，包括承载力大、寿命长、体积小、速度快等，但其加工工艺难，市场需求远不及滚珠（不足10亿vs超100亿），因此成本远高于滚珠丝杠。未来随着人形机器人放量，滚柱丝杠有望大规模化生产。 5、丝杠精度等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10级 滚珠丝杆的JIS等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10级，精度表示方法为无论滚珠丝杠的长度为多长，任取300mm的误差都在等级代表的精度之内，如精度等级为7级时，任意300mm行程内行程变动量为0.050mm，即C7=0.05。 二、市场壁垒 1、高精度丝杠的壁垒主要集中于生产工艺、加工设备及原材料 丝杠对精度、强度、耐磨性、可靠性等方面有很高要求，主要制备壁垒包括加工工艺、设备、原材料等三方面。螺纹加工、热处理等为核心加工工序，需要深刻knowhow积淀；生产设备主要依赖进口且售价昂贵、交付期长。 行星滚柱丝杠与滚珠丝杠存在类似的物理构造，二者的螺纹加工方式主要包括磨削加工、旋风铣削、车削、滚压成形等。目前海外巨头通过磨削与滚压成形进行加工，国内主要采用切削方式生产滚柱，采用磨削加工丝杠螺纹。而滚压成形具备较高的技术壁垒，目前全球范围内仅有少数海外厂商能够通过滚压成形实现行星滚柱丝杠的规模量产。 高精度、高一致性的螺纹的加工壁垒较高，依赖相关工作人员的技术经验。行星滚柱丝杠通过螺纹牙之间的啮合实现运动及载荷传递，并通过齿轮啮合实现滚柱正确装配，因此螺纹及齿轮的加工精度对其装配、传动及承载特性具备重要影响，而滚柱、丝杠、螺母上高精度、高一致性的螺纹存在较大的加工难度，依赖于仪器操作员与工程师的技术经验。 热处理对丝杠成品零件的制造质量、精度具有较大影响，需要深刻knowhow积淀。主要分为预备热处理与最终热处理。预备热处理的作用是改善丝杠切削性能、消除残余应力、为最终热处理做准备，而最终热处理的作用是提高螺纹表面硬度及耐磨性。根据《循环式行星滚柱丝杠副的设计》，热处理后的GCr15高碳铬轴承钢的屈服强度提升3-5倍，硬度提升2-3倍，机械强度及刚度显著提升。热处理工艺需要深刻knowhow积淀，国内厂商近年来已取得一定进步，但在工艺参数选择等方面仍与海外有一定差距，导致丝杠的精度及可靠性落后于海外。 行星滚柱丝杠制备的核心设备包括高精度螺纹磨床等，依赖进口且造价昂贵、交付周期长。行星滚柱丝杠已有成熟制备方案，核心设备包括旋风铣设备、螺纹磨床等，主要依赖进口且造价昂贵。旋风铣设备是一种用于加工大型螺纹的高效能精密专用设备，可加工淬硬钢等难以加工的材料。目前旋风铣床主要依赖国外引进，南京工艺于2004年首次引进德国公司的PW160型CNC旋风硬铣机床，2009年又引进其PW300HP型1000mmCNC旋风硬铣机床，可精铣出整体800mm以上的大型滚珠丝杠副。而汉江机床自主研发出HJO92型旋风铣床，单次铣长度最大可达800mm。而螺纹磨床用于加工行星滚柱丝杠的螺纹，对丝杠的精度有重要影响，目前主要依赖进口。由于相关生产设备售价高昂，且交付期较长，因此具备较强资金实力、在丝杠行业布局较早的公司或具备一定优势。 滚珠丝杠常采用GCr15高碳铬轴承钢作为原材料。滚珠丝杠在工作时承受复杂的交变载荷、交变应力的作用，易产生弯曲扭转组合变形，因此滚珠丝杠的滚道、轴颈必须具备高精度、高强度、高刚度、强耐磨性等良好的工程力学性能。滚珠丝杠通常采用GCr15高碳铬轴承钢作为材料，其在淬火加低温回火后具备硬度高、组织均匀、耐磨性强、解除疲劳强度高等优点，但同时也有塑性一般、切削性能中等、焊接性能差、回火脆性等缺点，因此需要在磨削滚珠丝杠粗加工前进行预先热处理，通过球化退火把GCr15材料中的碳化物球化，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物组织，降低材料组织硬度，提高材料塑性机能，改善材料金属切削机加工性能。 行星滚柱丝杠的丝杠/螺母与滚柱分别选取合金结构钢50CrMo4/GCr15高碳铬轴承钢作为原材料。 在行星滚柱丝杠的运行过程中，丝杠螺母滚柱的螺纹滚道会受到连续、周期、频繁的振动及摩擦，导致丝杠工件由于工作温度升高而出现滚道磨损、热变形等失效形式，因此需要选取硬度高、耐磨性强、承载力强及温度适应性良好的材料，还需要考虑材料的切削性能及经济性。根据《航天精密传动机构行星滚柱丝杠的设计与研究》，丝杠常选用合金结构钢50CrMo4，其强度和淬透性比35CrMo更好，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，高温情况下仍有高蠕变强度和持久强度；螺母和滚柱选取GCr15高碳铬轴承钢，其综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均较好。南京工艺行星滚柱丝杠副在淬火后的硬度可达HRC58以上，主要应用于伺服电动缸。 2、国内在丝杠领域研究起步较晚，高端丝杠较海外差距显著 受益于学界持续研究、政策支持等因素，我国滚珠丝杠迅速发展，但高端产品仍较海外存在显著差距。滚珠丝杠起源于19世纪末，1940年美国通用公司将其用于汽车方向盘转向机构后开始被广泛使用。1965年滚珠丝杠在数控车床上的应用取得突破性进展，助力加快机械制造业的发展。滚珠丝杠的发展方向从“敏捷省能传动”向“高速度、高精度和高可靠性传动”演进。国内自20世纪50年代开展大量滚珠丝杠相关研究，于1964年自主研制出第一套滚珠丝杠副，在国内学界持续研究、有限元分析相关软件成熟、政策支持等因素推动下，我国滚珠丝杠迅速发展。当前我国中低档产品已接近持平海外同类竞品，而高端产品与海外巨头仍有显著差距。当前海外厂商可稳定生产C1级滚珠丝杠，而国内厂商可稳定生产C2级滚珠丝杠，尚无法稳定供应C1级产品。 历经超80年的研究历程，海外龙头构建了行星滚柱丝杠的全面理论体系与成熟产品矩阵。瑞典发明家CarlBrunoStrandgren于1942年申请行星滚柱丝杠的第一个发明专利，并于十多年后优化设计了带螺旋升角的滚柱丝杠，为海外学术界此后的大量相关研究奠定理论基础。WilliamJ.Roantree和OliverSaari分别在1968年和1986年设计了差动式行星滚柱丝杠和轴承环型行星滚柱丝杠。1987年，大冢次郎等对标准式的三大构件进行了运动学和轴向刚性分析。1996年，美国LemorP等推导出标准式的承载能力和传动效率等计算公式。当前行星滚柱丝杠理论研究主要集中于结构参数、啮合特性、运动学、承载特性、摩擦及效率等方向。目前，德国Schaeffler、瑞士Rollvis、瑞典SKF、德国INA、美国Exlar、瑞士GSA、英国PowerJack、德国LTK等国外龙头均在行星滚柱丝杠的精度等级、润滑维护、应用平台等领域形成理论体系，积累大量生产应