丝杠行业深度报告：人形机器人催化丝杠国产化，优质企业乘势而上

报告核心观点◼丝杠作为直线传动部件应用广泛，螺纹加工工艺是丝杠加工的核心壁垒。丝杠是一种机械传动元件，主要用于将旋转运动转换为直线运动。按照摩擦特性可以分为梯形丝杠、滚珠丝杠和滚柱丝杠三类，广泛应用于机床、航空航天、机器人、汽车等领域。滚珠丝杠传动效率一般能达到90%-96%，约为梯形丝杠的2-4倍。行星滚柱丝杠在承载能力及寿命、在导程和空间、速度等方面均优于滚珠丝杠。目前应用于丝杠副螺纹制造技术主要有磨削技术、滚轧成型和旋风铣削技术三种。磨削精度高，轧制效率高，旋风铣较均衡。◼机床&新能源需求稳健增长，人形机器人打开市场新空间。丝杠约占人形机器人价值量的19%，人形机器人带来大量市场需求。若我们假设单台人形机器人对于行星滚柱丝杠的需求稳定在14个，若再考虑到灵巧手空心杯关节中使用的微型行星滚柱丝杠（17个），则潜在市场需求更加广阔，预计2030年对应的行星滚柱丝杠市场将超过450亿元。欧洲企业占据绝大部分市场份额，国产率替代空间大。全球滚柱丝杠厂商主要有Ewellix（隶属于SKF集团）、Rollvis（瑞士）、GSA（瑞士）、Rexroth（德国）、CMC（美国）、南京工艺（中国）、济宁博特（中国）等，其中2023年Rollvis、GSA在我国滚柱丝杠领域的市占率分别高达29%和27%，合计占比近60%，南京工艺、济宁博特市场份额分别约为6%和5%，国产替代空间较大。◼投资建议：丝杠为核心传动部件，技术壁垒高，国产化率相比其他核心部件低，我们认为随着国内高端机床/高端设备产量提升，将拉动滚珠丝杠需求；新能源汽车的发展使得丝杠应用前景广阔；未来人形机器人逐渐迈向产业化并逐渐放量，行星滚柱丝杠行业空间将迎来较大提升。推荐【福达股份】、北特科技，关注【双林股份】、【五洲新春】、【嵘泰股份】、【震裕科技】。◼风险提示：人形机器人产业化进展不及预期；滚柱丝杠国产化不及预期；未来竞争加剧，价格不及预期；供应链波动风险。 2 2.丝杠下游空间广阔：工业母机+人形机器人+汽车3.人形机器人滚柱丝杠相关标的梳理4.投资建议及风险提示1.丝杠为线性驱动核心部件，滚柱丝杠性能更优 1.丝杠为线性驱动核心部件，滚柱丝杠性能更优 丝杠是什么◼丝杠是一种将电机端旋转运动转化为直线运动的机械部件，广泛应用于具有直线运动功能的机器设备中。电机通过联轴器带动丝杠轴转动，丝杠轴上的螺母在螺旋形螺纹的驱动下实现直线往复运动，从而将电机的旋转力矩转化为设备运动所需要的直线方向的驱动力。◼根据摩擦特性和加工方式，丝杠有多种分类。根据摩擦特性可以分为3种：即滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠，滚动丝杠又分为滚珠丝杠和滚柱丝杠。其中，梯形丝杠中无滚动体，靠滑动摩擦传递推力，传动效率较低；滚珠和滚柱丝杠具有钢球或螺杆型的滚动体，靠滚动摩擦传递推力，传动效率较高；静压丝杠为液体摩擦，适合于需要较高的进给推力以及具有频繁振动负载的场合。数据来源：中国传动网，《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》，东吴证券研究所图：丝杠的原理示意图将电机的旋转运动转换为直线运动 5图：丝杠分类 梯形丝杠技术水平成熟，但精度较低◼梯形丝杠制造工艺较为简单，技术水平成熟，但产品精度及效率较低。其运动原理是利用螺旋副的转动运动，使螺旋副上的螺纹旋转，来实现线性运动。梯形丝杆上的螺纹与螺旋副上的螺纹咬合，当螺旋副旋转时，梯形丝杆就会沿着轴向运动，产生线性位移。◼梯形丝杠的加工工艺原本主要采用车削加工，工艺路线为:冷拔→滚花→车螺纹→校正→钻孔→切断→倒角，整体技术简单，工艺路线成熟，但效率较低、成本较高，且由于材料刚度低，车削、滚花时易变形，小号螺轮无法生产。目前多使用旋风铣削工艺代替车削工艺，将铣丝、滚花一次性完成，工艺路线变为冷拔→滚花、铣丝→校正→钻孔→切断→倒角，改进后减少了由切削力引起的振动，表面粗糙度也减小了。数据来源：步进电机网，东吴证券研究所 6图：梯形丝杠加工流程图：梯形丝杠工作原理示意图 滚珠丝杠传动效率高，技术壁垒仍待突破◼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。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，内循环滚珠丝杠尺寸一般来说小于外循环滚珠丝杠，适合于空间比较紧凑的场景；同时其需要反向器固定相对来说比较牢靠、刚性好且不易损坏。而外循环滚珠丝杠适用于需要扛冲能力大、高负载丝杠的使用场景。◼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。数据来源：步进电机网，东吴证券研究所图：滚珠丝杠加工流程图：滚珠丝杠工作原理示意图 7 行星滚柱丝杠应用于高精度、高承载领域◼行星滚柱丝杠具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。其滚动体是含有螺纹的多个滚柱体，螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构，使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移，滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动，依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。◼根据不同的结构设计，滚柱丝杠分为标准式、反向式、循环式、差动式、轴承环式。标准式行星滚柱丝杠主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域，是目前应用最广泛的类型；反向式行星滚柱丝杠多应用于航空、航天、船舶、电力等领域；循环式行星滚柱丝杠主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域；差动式行星滚柱丝杠适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合；轴承环式行星滚柱丝杠主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。数据来源：金属加工，鑫爱机电，东吴证券研究所图：行星滚柱丝杠工作原理示意图丝杠内齿圈螺母直齿滚柱标准式行星滚柱丝杠循环式行星滚柱丝杠 8图：行星滚柱丝杠分类反向式行星滚柱丝杠差动式行星滚柱丝杠轴承环式行星滚柱丝杠 三种丝杠性能对比◼针对梯形丝杠、滚珠丝杠和滚柱丝杠三者的差异可以简单梳理成以下表格：数据来源：观研报告网，《2024人形机器人产业链白皮书》，东吴证券研究所参数名称摩擦方式自锁性有，与导程角大小和工作面粗糙传动效率转速慢，滑动摩擦发热严重，一般转速导程精度使用寿命短，滑动摩擦对元器件的损伤大相对体积承载能力微进给难以实现，滑动运动存在爬行现象噪音应用领域国产化率 表：梯形丝杠、滚珠丝杠、滚柱丝杠性能对比梯形丝杠滚珠丝杠行星滚柱丝杠滑动摩擦滚动摩擦无，需加装制动装置无，需加装制动装置24%-26%90%-96%较高，摩擦力较小时可达90%不超过3000RPS较快，点接触滚动摩擦热效应小，额定转速在3000-5000RPS快，线接触滚动摩擦热效应小且承载力强，转速可达6000RPS低，品质参差不齐较高，通常为毫米级高，通常为微米级长，滚动摩擦损伤小，保持清洁、润滑即可很长，是滚珠丝杠的10倍以上，荷载运动可达1000万次中等大大可实现，滚珠运动的启动力矩小可实现，滚珠运动的启动力矩稍大较小工作要求低的场景需要精密传动的场景高负载、高精度、工作恶劣的高超60%处于起步阶段 丝杠历史悠久，新行业新应用涌现数据来源：未来智库，东吴证券研究所图：丝杠行业发展历史◼丝杠的发展始于19世纪中叶，最初用于葡萄压榨机等机械设备。1874年，滚珠丝杠被发明，1930年代开始应用于汽车转向。1940年代，滚柱丝杠首次用于数控机床。20世纪50至60年代，标准型与反向型丝杠相继问世，中国也于1964年成功设计首套滚珠丝杠。进入21世纪，随着工业自动化、机器人技术的发展，丝杠技术再度受到关注，并广泛应用于高精密设备和人形机器人中。 10 丝杠加工方式多样，材料、工艺及设备为重要壁垒◼螺纹加工工艺是丝杠加工的核心壁垒。螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、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磨削技术、滚轧成型和旋风铣削技术三种。磨削精度高，轧制效率高，旋风铣较均衡。数据来源：《滚珠丝杠旋风硬铣削加工热变形及其控制方法研究》，东吴证券研究所表：三种螺纹加工工艺对比比较参数磨削滚轧成型最高加工精度P3级，P1级，P0级P3、P5导程误差的波动小、线性好P3级导程误差的波动小、线性加工精度与表面质量砂轮品质和使用寿命对其有直接影响Ra=0.5-0.8μm,表面光滑、处于压应力状态Ra=0.4μm,高速、渐近、低温切削,表面质量优于磨削环境友好性产生粉尘、油雾，切削液难以净化处理无油雾和粉尘,污染小无油切屑便于回收处理、环保资源友好性冷却液全线喷淋冷却，能耗较高低耗无屑加工、材料利用率高达80%以上干切削，能耗，油耗，水耗仅加工效率工序较多、效率低单机快速产出,库存性供货生产效率高于磨削低于冷滚轧装备及制造成本螺纹磨床已国产化,生产工序多、制造成本高关键设备前期投入大,后期成本取决于轧辊寿命、研发制造能力关键设备前期投入大,后期成本取决于PCBN刀片寿命及刃磨 11旋风硬旋铣好是磨削的三分之一的自主化能力 磨削：精度最高的加工方式，工艺复杂◼磨削丝杠按照基准统一原则，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，制造精度最高，非常适合给高精度设备做定位部件。◼热处理、去应力、磨削等为重要环节。热处理可提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。丝杠粗加工前，将进行预备热处理，通过退火/正火、时效处理，以此消除内应力、改善加工性能；在精磨前，进行最终热处理，主要选择表面淬火，表面淬火还具有外部强度高、耐磨性好，而内部保持良好的韧性、抗冲击力强的优点。精磨对滚珠丝杠的精度影响较大，包括螺纹的螺距误差、螺纹的牙形误差等，是丝杠生产的最核心环节，对设备依赖度高，且对工艺要求高，需要knowhow积累。数据来源：《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》、中信建投，东吴证券研究所表：丝杠磨削加工工艺流程 12 磨削：精度最高的加工方式，工艺复杂◼磨削工艺的核心设备是高精度磨床。磨床属于精度较高的加工机床，通常在工件加工的后端工序使用，使工件得到更高的加工精度和更低的表面粗糙度，从而提升下游机械的运行平稳性、使用精度等性能。◼设备供应商以海外为主，国内持续追赶。高精度磨床及砂轮供应商主要集中在海外，国内双林股份（子公司无锡科之鑫）、秦川机床、华辰装备、日发精机等有相关产品。数据来源：《精密滚珠丝杠机械加工工艺规程研究》，东吴证券研究所图：高精度磨床示意图表：磨床生产商磨床类型高精度内外圆磨床Studer瑞士斯图特、Kellenberger德国克林伯格、JUNKER德国勇克、美国哈挺、德国ELB、汉江机床、无锡科之鑫、日发精机高精度平面成形磨床Blohm联合磨削保宁、德国Aba、德国ELB、Favretto意大利法力图、日发精机导轨磨床Waldrich-Coburg瓦德里希科堡、Favretto意大利法力图、住友精机、华辰装备曲轴、凸轮磨床Junker德国勇克、Landis英国兰迪斯、Studer瑞士斯图特、丰田工机大型曲轴磨床naxos union德国埃马克、wohlenberg德国沃伦贝格大型轧辊磨床Ingesoll美国英格索尔无心磨床Koyo日本光洋、Mikrosa德国米克罗莎、Junker德国勇克珩磨机Gehring德国格林、Sunnen善能滚珠丝杠磨床MITSUI SEIKI三井精机齿轮磨床Reishauer瑞士莱斯豪尔、Gleason / Pfauter / Hurth格里森-普法特、Sigma、Hoeffer德国霍夫勒、SMS、三菱重工、秦川机床五坐标工具磨床Walter HM德国瓦尔特、澳大利亚安卡ANCA、SAA