丝杠方法论（二）：兵马已动，磨床先行

兵马已动，磨床先行 投资评级：（）报告日期：推荐维持2025年02月15日 ◼分析师：林子健◼SAC编号：S1050523090001 投 资 要 点 兵马已动，丝杠赛道进入产能建设阶段 Optimus量产进度提前，最快2027年可生产百万台。马斯克CES采访中表示，Optimus将是有史以来最大的产品。如果一切进展顺利，特斯拉的目标是今年制造数千台Optimus人形机器人，2026年的产量将增加10倍，然后在下一年再次扩产10倍，2027年机器人产量有望达到100w台。2024年10月，北特科技投资18.5亿元建设行星滚柱丝杠研发生产基地，12月，新剑传动总部暨年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目建设用地正式过审，标志着丝杠赛道领先企业正式进入产能建设阶段。 精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 行星滚柱丝杠最大加工难点在于内螺纹，磨削是加工高精度内螺纹唯一行之有效的方式。在进行反向式行星滚柱丝杠螺母这种大长径比内螺纹磨削时，砂轮磨杆呈细长悬臂状态，极易发生由砂轮磨杆弱刚度特性引起的颤振问题，严重影响加工精度和加工效率。大螺旋角磨削工件十分困难，对厂商加工技术、磨床要求很高，并且需要在专用磨床上进行。 磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 丝杠加工需要专用设备，国外磨床进口难度大、交付周期长。我国在高档数控机床行业面临“卡脖子”的难题，数控磨床核心部件主要包括数控系统、主轴、丝杆、线轨等，目前国内各核心部件技术距离国际水平存在一定差距。欧洲、日本是高端磨床主要产地，对中国采取出口限制措施。目前国产丝杠螺纹磨床精度已跟上，且设备价格较国外低很多，机器人量产阶段国产设备才能满足大规模磨床需求。根据秦川机床滚动功能部件扩产项目的规划，5亿丝杠产值所对应的设备投资额为1.56亿元，其中，磨床的采购约占项目设备投资的48%，旋风铣、测试仪器和其他机床约占52%。根据我们测算，人形机器人产量为十万/百万/千万台时，对应内螺纹磨床市场空间为10/96/959亿元，外螺纹磨床市场空间为5/48/479亿元。 推荐标的 1）华辰装备：数控轧辊磨床领先企业，中标南京理工大学P0级滚珠丝杠外螺纹磨床项目；2）日发精机：成功研发数控丝杠螺纹磨床，精度可达C0级别；3）秦川机床：机床行业老牌龙头企业，自上而下布局丝杠赛道。 风 险 提 示 机器人市场风险 机器人量产进度不及预期 原材料价格风险 丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢，原材料价格上升会导致丝杠成本上升 投产进度不及预期 各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期 地缘政治风险 丝杠属于高精密产品，生产设备需要高精度螺纹磨床，国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限制 推荐公司业绩不及预期 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是核心工艺 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 目录CONTENTS 3.推荐标的 01精加工是丝杠性能决定性因素，磨 削 是 丝 杠 精 加 工 核 心 工 艺 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 特斯拉Optimus2024年进展飞速，最快2027年可生产百万台 特斯拉Optimus2024年进展回顾Optimus量产进度提前，最快2027年可生产百万台。马斯克在连线采访中表示，Optimus将是有史以来最大的产品。如果一切进展顺利，特斯拉的目标是今年制造数千台Optimus人形机器人，2026年的产量将增加10倍，因此26年目标是生产5-10万个人形机器人，然后在下一年再次生产10倍，产量来到50至100万台。 2024.6.14 流畅行走，步态稳健，可以转弯。 Optimus开始学习利用端到端神经网络分拣电池。 Optimus进入工厂实训。 optimus托举11kg电池，能够爬楼梯。多个机器人共同建立对周围环境的共同理解，自主实现与人互动行为。 特斯拉“we，robot”发布会召开，optimus现场跳舞、倒酒，22Dof灵巧手初次展示。 Optimus展示不依赖视觉在崎岖路面行走能力。 Optimus22自由度灵巧手正式装机，远程操作接住网球。 资料来源：特斯拉，华鑫证券研究 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 行星滚柱丝杠头部厂商迈入产能建设阶段 ➢北特科技投资18.5亿元建设行星滚柱丝杠研发生产基地。北特于2024年10月14日与江苏昆山经济技术开发区管理委员会签订《投资协议》。公司拟在江苏昆山经济技术开发区总投资18.5亿元，规划用地约140亩（一期用地约80亩，二期用地约60亩，具体以实测面积为准），建设行星滚柱丝杠研发生产基地项目。12月25日，北特科技以1，792万元竞得昆山约80亩工业用地，北特科技将在拿地后6个月开始新建厂房。 ➢新剑传动总部暨年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目建设用地正式过审。项目建设用地面积为40亩，建筑面积约为106亩。 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 丝杠加工核心在外螺纹与螺母内螺纹 丝杠精度要求越高，磨制过程越繁琐。在生产过程中，粗加工阶段主要负责毛坯制造和螺纹初步加工，构建基础，主要工艺为车、铣；而精加工阶段则需要精细加工，使产品具备高稳定性和高精密性，主要依靠磨削实现。 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 外螺纹现阶段加工工艺包括硬车、磨削、滚轧、旋铣 外螺纹加工工艺主要为硬车、磨削、滚轧、旋铣，其中磨削精度高，滚扎效率高，硬车和硬旋铣较均衡。行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，故优化螺纹的加工技术是提升PRS整体性能的关键。PRS螺纹制造工艺方法主要为成型加工，例如目前应用于丝杠副螺纹制造技术主要有硬车、磨削、滚轧成型和旋风铣削技术。 1.精加工是丝杠性能决定性因素，磨削是丝杠精加工核心工艺 磨削是内螺纹目前主流的加工方式 内螺纹加工难度大，目前高精度内螺纹加工方式仍以磨削为主，磨削工艺效率低，精度高，对磨床设备要求高。反向式行星滚柱丝杠因驱动方式的改变，使得螺母长且内螺纹磨制工艺难度大幅增加。 0 2磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 磨削的基本分类 通常所说的磨削主要是指用砂轮和砂带进行去除材料加工的工艺方法，是应用最为广泛的高效精密的终加工工艺方法。用磨料去除材料的加工方法是人类最早使用的一种生产技艺方法。远在石器时代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，制成生活和狩猎的工具。目前，磨削加工技术正朝着使用超硬料磨具，开发精密及超精密磨削方式，高速、高效磨削工艺及研制高精度、高刚度的自动化磨床的方向发展。精密加工是指被加工零件加工精度达1~0.1μm、表面粗糙度为0.2的加工技术;超精密加工是指被加工零件的尺寸精度小于0.1μm，表面粗糙度<0.025mm，机床定位精度的分辨率和重复精度小于0.01μm的加工技术。~0.01μm 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 磨削主要的优势在表面粗糙度低，加工精度高 ➢磨削可以获得很低的表面粗糙度和加工精度。由于磨削加工具有微量切削的特点因此它可以更经济地获得很低的表面粗糙度。磨削精度可达1~2级圆度误差不超过0.1μm;圆柱度误差小于1μm/300μm，同轴度误差小于1μm，平面工件直线度误差小于3μm/1000μm，有些特殊的加工方法还可以达到更高的精度。 ➢磨削可获得高的金属切除率。一般认为磨削的效率低，只能在精加工时采用。但是随着砂轮特性的改进和新的磨削工艺的开发，磨削已不是传统概念中的低效加工方法而开始成为与其他切削加工方法相媲美的高效率的加工工艺，在某些工序上已成功地取代车削、刨削和铣削，直接从毛坏上加工成形。表1-4是一些磨削方法所能达到的比磨除率。 磨削的基本特点 磨削过程是大量磨粒进行统一磨削过程。其他切削方式只有一条或者几条有一定几何形状的切削刃在参与工作。 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 螺纹磨削加工效率主要取决于螺纹种类、加工工艺以及材料硬度 多线砂轮磨削螺纹具有加工效率高、适用范围广和高精度的特点，适合大批量生产小螺距的螺纹工件。其加工效率源于多线砂轮可同时磨削多个螺纹牙形，但需确保螺纹宽度小于砂轮宽度，尤其对螺距3mm及以下的螺纹，可直接磨削而无需预加工。此方法对砂轮修整精度要求较高，需与工件螺纹相匹配，以保证加工质量。对于硬度超过HRC60的工件，需要结合粗磨与精磨工艺，控制磨削深度在合理范围内，以确保表面质量。 不同砂轮磨削方法 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 内螺纹加工主要难点在于孔径小，限制较大 内螺纹磨削通常要难于外螺纹磨削。主要原因在于：1）磨孔时砂轮直径受到工件孔径的限制，直径较小。小直径砂轮很容易磨钝，需要经常修整和更换，增加了辅助时间，生产效率较低；2）砂轮转速由于受到内圆磨具的限制，小直径的砂轮磨孔时很难达到正常的磨削速度，砂轮圆周速度较低，使磨削表面的粗糙度不易降低。3）砂轮轴的直径由于受孔径的限制比较细小，而悬伸长度较大，刚性较差，磨削容易发生弯曲和振动，使工件的加工精度和表面粗糙度难于控制，限制了磨削用量的提高。4）内圆磨削时砂轮与工件孔的接触面积较外圆磨削大，因此磨削力和磨削热都大。而冷却条件却又很差，工件易发热，排屑比较困难，屑聚集在孔内，和冷却液混合成糊状，容易使砂轮堵塞。 为了避免上述传统螺母精加工方法的缺点，现代有工艺采用了高刚度的弯头杆磨削工艺来对大导程滚珠螺母做精加工，该装置相对于传统磨削方法，可以保证磨削砂轮与螺母内滚道的高度啮合，提高了内螺纹磨削中工件滚道表面的粗糙度和法向截面的轮廓度。 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 精密螺纹加工需要专门的设备 精密螺纹的加工范围现代螺纹磨削使用的设备有螺纹磨床、丝杠磨床、万能螺纹磨床、内螺纹磨床。专门用途的磨床有丝锥磨床、滚刀铲磨床、蜗杆磨床、大直径螺纹磨床等。螺纹磨削是机械制造、机床制造和工具制造企业中的关键技术之一。如精密丝杠等传动螺纹都有较高的螺距公差要求。 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 螺纹磨床属于数控机床中的一种，结构件成本占大头 螺纹磨床是精加工环节的核心，是实现丝杠螺纹精密磨削工艺的唯一手段。根据加工类别，螺纹磨床主要分为外螺纹与内螺纹两类。通过其精密磨削得到的丝杠拥有最高的精密等级，是行星滚柱丝杠生产工艺的关键必备设备。 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 机床误差将直接影响加工精度，几何误差是主要影响因素 造成机床加工误差的原因主要包括几何误差、热误差、控制系统误差、刀具磨损等。其中，几何误差是数控机床中最主要的误差，约占机床总误差的40%。磨削过程过程具有多自由度多自由度耦合运动的特点，由于机床设计、制造、装配中的缺陷，使得机床中各零部件的实际几何参数和位置相对于理想几何参数和位置发生偏离，属于机床本身固有的误差，为工艺系统静误差。这些形状和位置误差会反应到机床的运动部件上，从而导致系统所规定的坐标值与机床工作部件所处实际位置存在误差，由此而产生的几何误差直接反映在齿形误差上。由于一个物体在空间内有6个自由度，因此机床移动部件在运动时共有六项误差因素，其中包括三项移动误差元素和三项转角误差元素，一般普通三轴机床存在21项几何误差。 2.磨削是主要螺纹加工工艺，螺纹磨床占据丝杠设备半壁江山 行星滚柱丝杠生产属于精密、超硬加工，对磨床要求更高 一般来说滚柱丝杠采用CGr15作为原材料，高碳铬轴承钢经过淬火等热处理后，硬