人形机器人系列深度报告：丝杠加工设备：丝杠扩产浪潮来临，优质“铲子股”率先受益

丝杠加工设备：丝杠扩产浪潮来临，优质“铲子股”率先受益 【华西机械团队】 分析师：黄瑞连SACNO：S1120524030001邮箱：huangrl@hx168.com.cn 2025年3月19日 核心观点 丝杠工艺：螺纹加工为主要难点，磨/车/铣/轧等降本新方案持续迭代。行星滚柱丝杠由丝杠轴、滚柱和螺母组成，工艺难点聚焦在多线螺纹滚道、滚柱花键齿结构以及螺母内螺纹，加工难度依次递增。此外，热处理环节为丝杠加工隐形壁垒，挑战在于对淬火带来的螺纹形变进行加工补偿。综合降本要求&量产效率，丝杠生产商正在探索磨/车/铣/轧等组合方案：1）核心在于减少中道（半精加工）的磨削量：“以车代磨”可靠同时效率高；“旋风铣”兼顾效率和精度，成本大；“轧制”最适合批量生产但精度难以保持，各有优缺点，仍需不断迭代；2）磨削始终为不可缺少的关键工艺：在精度要求极高或特定场景，例如内螺纹和外圆磨，精磨始终是不可缺少的一环，尤其对于高端丝杠的加工。 加工设备：磨床为扩产核心设备，关注以车/铣代磨、轧辊等增量环节。梳理秦川机床丝杠扩产项目，磨床占到设备投资额的46%，单价超千万/台，可见磨床是丝杠扩产的主要资本开支投向；高端车床、旋风铣床受益于降本新路线，成为设备端增量环节。1）磨床：难度最高的机床之一，超高速+高精密磨削构成高技术壁垒，导致国内仍高度依赖进口磨床，其中以欧美和日本厂商为主。根据我们测算，国内磨床市场空间约80亿元，国产化率不足30%；2）人形机器人打开需求空间：丝杠方案确定性高，假设量产百万台情况下，单台使用14根行星滚柱丝杠和30根微型丝杠，中性假设分别需要45/15分钟磨削时间（仅考虑内外螺纹精磨），则对应磨床需求分别为44/28亿元，合计新增市场规模为87亿元。 丝杠厂商资本开支加速，优质“铲子股”率先受益。1）国产厂商已有较好技术积累，正在加速追赶，以磨床为例，从专利&实际加工效果两个角度出发，均实现对标海外。标品磨床功能溢出，丝杠厂商选择定制化开发，叠加产能供应充裕，国产设备商综合优势明显，产业化有望加速推进；2）特斯拉上调量产指引，智元、众擎等均有千台规划，人形机器人量产元年开启，国内供应链厂商加速储备产能。T1总成商拓普和三花已披露机器人扩产计划，合计投入近百亿元；丝杠厂商新剑传动、五洲新春、恒立液压均开始加速资本开支，为大规模量产做好准备；3）核心“铲子股”充分受益：磨床为最大增量环节，国内厂商积极布局高端磨床，不仅包括老牌螺纹磨床企业（秦川机床），还包括华辰装备、日发精机、宇环数控等具备其他领域超高精密磨削经验的玩家，由于底层技术共通，相关新品验证进度较好。丝杠降本新路线带来一定的高端车床以及旋风铣床需求，浙海德曼、汉江机床等在此领域早有布局，需求推动下有望加速产业化。此外，作为关键耗材的PCBN刀具同样受益。投资建议：人形机器人量产元年，国内供应链资本开支加速。丝杠加工设备作为核心铲子股，有望充分受益于下游丝杠扩产浪潮&国产替代加 目录 投资建议与风险提示 1.1螺纹加工为丝杠核心工艺难点，热处理为隐形壁垒 高端滚珠/滚柱丝杠广泛运用于机床、半导体、人形机器人等领域，核心组件的螺纹结构是主要的加工难点：以滚珠丝杠为例，核心组件主要为丝杠轴、滚珠螺母、滚珠螺母内的钢球以及反向循环装置这四个（见左图）。除钢球外，滚道、螺母等内外表面均附加精密螺纹结构，该结构下材料刚性较低，实现稳定精准的微米级别螺纹加工难度较大。特别对于行星滚柱丝杠，主要包括丝杠外螺纹、滚柱外螺纹、螺母内螺纹三部分，加工难度依次递增。 1.1螺纹加工为丝杠核心工艺难点，热处理为隐形壁垒 相较滚珠丝杠，行星滚柱丝杠对于加工工艺的要求进一步提升，具体表现在丝杠、行星滚柱和螺母三大方面： 1）从丝杠端来看，行星滚柱丝杠常采用多线螺纹方案（双线螺纹丝杠的承载力比单头高60%-70%，线数越多，升角越大，旋进越快，但自锁性越差），多线螺纹丝杠的滚道数更多且滚道间距更短，如果采用外圆磨制工艺，则加工难度更大且加工效率较低；如果采用旋风铣工艺，则铣刀的硬度、韧性、形状等性质同样需要满足更高的要求。 2）从行星滚柱端来看，行星滚柱的两端存在与螺母两端的齿轮环啮合的花键齿，此结构加工难度较大。此外，行星滚柱的标准化程度低于滚珠，大规模高精度量产同样具备较强的技术难度。 3）从螺母端来看，在反向式行星滚柱丝杠中，丝杠和螺母的功能互换，螺母本质上是一个带有螺纹内径的管子，砂轮需要伸进去加工，通常采用内圆磨制工艺。由于螺母长度较长，如果采用磨制工艺，则存在工件与设备之间易发生碰撞且加工效率较低等问题；如果采用旋风铣工艺，则面临国内内螺纹旋风铣工艺尚不成熟的难题。 1.1螺纹加工为丝杠核心工艺难点，热处理为隐形壁垒 热处理过程充分改善行星滚柱丝杠各零件的材料性能、切削性能以及消除残余应力，但由于丝杠在淬火过程中不可避免产生方向长度的变化，影响原有加工螺纹等结构的精度。 1）热处理环节质量高低影响丝杠后期使用寿命：热处理将丝杠进行穿透加热，改善和强化整体的强度、硬度、塑性和韧性，保证丝杠耐磨性和长期运动的使用寿命要求。但国内丝杠加工目前在热处理环节普遍存在硬层浅、硬度分布不合理、组织均匀性差、耐磨性差等缺点，导致后期传动运行过程中通常发生以磨损、接触疲劳为主的表面损伤失效，主要系淬火过程中没有形成有效的淬硬深度和合理的硬度梯度。 1.1螺纹加工为丝杠核心工艺难点，热处理为隐形壁垒 2）淬火后不可避免将带来螺纹误差变形：由于丝杠在迅速冷却过程中不同部位存在温度差，各自热膨胀量也将不同，导致不同部位均产生内应力。内应力分布不均匀相应就加大了淬火热变形量，进而影响已车螺纹的螺距误差的改变。所以在不同的丝杠加工路线中（无论是先车后磨、先铣后磨还是轧辊），均需要对热处理带来的形变进行加工补偿。 具体以较为成熟的“先车后磨”路线为例：滚道车削粗加工螺纹后进行淬火，如果全长螺距变化过大，就会导致磨削时部分螺纹滚道磨削不下来，造成报废。目前主要使用数控车床对螺距进行误差补偿，提前进行预留量，使得淬火后获得正好的螺距状态。根据不同规格产品淬火变形情况的积累，稳定的误差补偿值基本控制在0.25-0.40mm之间。 1.2技术方案不断升级提效，磨削始终为不可缺少的关键环节 丝杠螺纹的加工可以通过磨削、硬车削、轧制、旋风铣削等工艺实现，不同工艺优缺点显著：1）砂轮磨削：传统的螺纹加工选择，加工精度较高，工艺灵活，可以加工异形丝杠，缺点是效率较低；2）硬车削：生产效率较磨削明显提升，同时避免因削热导致丝杠硬度降低，但精度仅满足中端要求；3）轧制：加工效率最高，但精度较低，过去多应用于低精度丝杠生产；4）旋风铣：兼具生产效率高和精度高的优点，但是存在成本较高、无法加工异性丝杠等限制，渗透率有较大提升空间。 1.2技术方案不断升级提效，磨削始终为不可缺少的关键环节 考虑到降本诉求&量产效率，以磨削为主的传统加工方式因耗时费力已不再适用。从现有的技术方案来看，丝杠生产商均考虑通过分解工序，同时组合不同工艺来实现提效： 1）工序分解提高生产效率：精密高端丝杠加工流程繁琐，传统磨削工艺中螺纹磨削时间占整个工艺流程的2/3，根据《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，磨制滚珠丝杠加工工艺周期达到30-45天。丝杠厂商已探索出成熟的流程分工，可划分为前道（粗加工）、中道（半精加工）以及后道（精磨）三个步骤，为实现规模化生产打下基础。 2）以车代磨、以铣代磨、轧辊等新方案进一步减少磨削量：前道的车/铣技术成熟，并没有太多新选择；最难的内螺纹以及后期精磨需求也不可替代，因此改进主要来自于中道的工艺和设备升级，目前已有以车代磨、以铣代磨、轧辊等方案，核心目的都是进一步减少精磨的磨削量，保证高精度的同时提高效率。 资料来源：《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，《精密滚珠丝杠磨削加工精度及其测试方法研究》，华西证券研究所 1.2技术方案不断升级提效，磨削始终为不可缺少的关键环节 3）但磨削作为高精度螺纹加工的主要工艺，始终是不可缺少的关键环节：磨削工艺具体是指利用高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削，主要分为粗磨、稳定和精磨三个阶段，最高精度可达P1级，是高精度丝杠螺纹的主要加工工艺。尽管新技术方案可以减少磨削量，但在特定场景以及精磨需求下，例如滚道的外圆和内壁（车/铣的加工特性决定无法实现）、螺母的内螺纹、滚柱齿轮圈等极高的精度要求，磨削始终是不可缺少的一环，特别对于高端丝杠加工。 资料来源：斯科勒自动化官网，博特精工，《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，《精密滚珠丝杠磨削加工精度及其测试方法研究》，华西证券研究所 1.3.1以车代磨：平衡速度&精度，为螺纹加工重要发展方向 “以车代磨”为螺纹加工重要发展方向，可靠性强&加工效率高。针对车削工艺中丝杆螺纹车削的加工运动，可简化成PCBN刀具在丝杆表面沿螺旋线切削出成型槽，经历数次走刀最终切削出完整的螺纹轮廓。相较磨削工艺，车削核心技术优势体现在： 1）有效提升加工效率和降低制造成本：硬态车削比磨削可降低成本40%~60%。德国汽车工业在加工曲轴、凸轮轴、摩擦盘等零件时均采用硬态车削代替磨削，收到了良好效果，以加工100Cr6（德国DN牌号）的摩擦盘为例，加工时间减少了60%。 2）加工可靠性高：行星滚柱丝杠主要由淬硬轴承钢、铬镍铁合金、工具钢等硬质材料加工而成。在高速磨削工艺中，砂轮在硬质材料加工过程中容易脱粒，并在工件表面产生磨削烧伤与微裂纹，车削属于冷加工工艺，可规避此问题。根据《精密滚珠丝杠制造技术的变革创新》，以车代磨螺纹滚道的粗加工技术在日本和中国台湾应用已经较为广泛，在中国大陆地区仍具备较大渗透空间。 1.3.2旋风铣：兼具效率&精度，渗透率有望加速提升 “旋风铣”精度高&加工效率快，未来渗透率有望提升。螺纹旋风铣削是用安装在刀盘上的多把成形刀具，借助于刀盘旋转中心与工件中心的偏移量ｅ来构成渐进式的高速切削。1）减少切削产生的热量：旋风硬铣削无需使用切削液实现干切削，产生的切削热传入切屑并迅速排出；2）加工精度较高：进行渐进式的切向断续切削方式，切削深度小，导程精度可达P3；3）加工效率大幅提升：旋风铣工艺的加工效率约是磨削3-5倍，具有更好的金属去除率。简单来说，旋风铣工艺直接可以将螺纹滚道直接铣削出来，此时丝杠精度已基本满足C4-C5。并且与传统切削相比，旋风铣刀具使用寿命提高70%。 1.3.3轧辊：加工效率最高，精度保持将成为大批量使用关键 “轧制”加工效率相对磨制丝杠大幅提升，但精度相对较低，部分厂商正在攻克其高精度模具和淬火难点。①从加工效率来看：据博特精工数据，轧制滚珠丝杠加工步骤相对磨制滚珠丝杠大大减少，一条磨制滚珠丝杠副的工艺周期约30-45天，而一条轧制滚珠丝杠副的工艺周期仅1-3天，加工效率明显提高。②从加工精度来看：轧制滚珠丝杠的普遍精度是C7、C8、C10，精度高者可达C5级别，而轧制梯形丝杠精度大概介于C7-C8之间。③从热处理变形来看：掌握螺距变形量对于丝杠辊轧非常重要，参考德国宝飞螺公司，因为摸清了变形规律，使得大批量生产高精度滚珠丝杠成为可能。 目录 投资建议与风险提示 2.1磨床：专为精加工而生，超高速+高精度形成较高技术壁垒 磨床类机床是指利用磨料、磨具对工件进行磨削加工的机床，为满足精加工和硬表面加工需求而产生。磨床通常使用高速旋转的砂轮、油石及砂带等磨具研磨工件的多余量，以获取所需形状、尺寸及加工面。1）按照工艺的不同，磨床可主要分为外圆磨床、内圆磨床、无心磨床、平面磨床、轧辊磨床等，其中外圆磨削应用最广泛，内圆磨削整体难度最大；2）具体根据加工对象的不同，磨床则可分为螺纹磨床、齿轮磨床、叶片磨床、花键轴磨床等。 资料来源：上海大学工程训练中心官网，机床商务网，《磨床制造业过程质量管理研究—以上海机床厂为例》华西证券研究所 2.1磨床：专为精加工而生，超高速+高精度形成较高技术壁垒 