作者：慧博智能投研
（2）滚压成形及内螺纹冷挤压塑性工艺，国内企业也有突破
滚压成形加工在效率、产品一致性和产品使用寿命上具备优势。近年来滚压成形方法在加工齿轮、螺纹、花键等方面取得了显著的进展。滚压丝杠加工工艺中，核心流程包括毛坯磨制、精密轧制、热处理、螺纹滚道抛光等。轧制丝杠使用寿命较长、机械化精度和强度高，冷成型技术本身就要求高质量的材料，高精度的工艺，经过机械冷轧后，滚道面的硬度、密度、内部组织结构得到强化，之后进行热处理，使整个丝杠的稳定性更强，延长了丝杠的使用寿命，且冷轧加工属冷加工工艺，故而能够保证轧制过程中钢材的完整性，对环境污染较少。相较于传统机加工，其优点在于：生产效率较传统车削加工提高近十倍，尤其在采用自动上下料机构的情况下，生产效率更为突出；在加工过程中能够实现优良的尺寸一致性；而且表面质量较高，且保持相对稳定。
设备端：滚压机是滚压工艺核心设备。滚压工艺所用设备包括滚压机、模具及其他辅助设备，其中滚压机是执行滚压工艺的核心设备，它通常包括滚轮或滚筒，能够施加高压力并旋转，从而在材料表面形成螺纹结构。滚压机的类型和规格会根据具体的应用和工件要求而变化。滚压轮是冷滚压成形设备中最重要的零部件，它的几何形状、尺寸精度以及力学性能直接决定成形件的质量水平。
新兴行业需求助推滚压工艺发展，高精尖滚压装备依赖进口。随着我国机器人、汽车等行业的迅速发展，大量的花键、齿轮和蜗杆等采用了冷滚压成形工艺加工，但高端的成形设备主要依赖于国外进口。如Anderson-Cook公司的两滚压轮径向滚压设备，能加工出精度ISO标准下6~7级的花键（α=30°、m=1.5和α=20°、m=2），同时生产效率能达到15件/min左右；美国Kinefac公司推出的高精密花键轴三滚压轮轴向滚扎设备，能加工出精度等级达到ISO标准下5级的大模数花键（α=30°、m=3和α=20°、m=2.5两种类型）。此外，PROFIROLL（宝飞螺）、Osterwalder（奥斯特瓦德）等均为先进的滚压机供应商。
内螺纹冷挤压塑性工艺较切削等工艺，在强度、硬度、生产效率、成本上具备优势。我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达8～9级，仅次于精抛光表面。由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性，制件螺纹强度有较大提高，抗拉强度提高20%以上，抗剪强度提高5%～10%，内螺纹表面的冷作硬化层厚度约为0.15mm，硬度提高40%以上。且冷挤压件材料利用率通常可以达到80%以上，冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至百倍。
设备端：内螺纹冷挤压设备美日领先，国内企业加速替代。美国国民机械公司专注于生产专用的冷成形设备，其FORMAX系列的专用成型机具有2至7个工位，极高的效率，每分钟冲次可达100至200次。国内冷成型设备制造领域已有所突破，特别是在冷锻装备上，国内企业上海春日机械、思进智能等均在冷锻、冷挤压等冷成型设备上有所突破，专业设计制造用于紧固件和其它异形金属零件成形用冷镦机、螺纹搓丝机等设备和模具。思进智能的多工位中、高端冷成形装备部分产品实现了进口替代，其产品技术性能处于国内同类产品领先水平，产品的部分技术性能达到或接近国际先进水平，2023年思进智能已成功研发出SJBP-88S复杂零件冷成形机、SJBP-108S多连杆精密零件冷成形机、SJBP-138L及SJBP（H）-168S精密智能冷镦成形装备等八工位系列机型。
3、技术研发：中国滚柱丝杠专利数量跃居第一，高校研发持续突破
（1）中国滚柱丝杠专利数量跃居第一，中国滚柱丝杠产业处于规模化应用关键节点
行星滚柱丝杠技术方面相关专利申请趋势可分为萌芽期和成长期：
萌芽期（2009年之前），每年的专利申请数量不超过15项，且多数专利来源于日本、德国、法国、美国、瑞士等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计技术、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造技术方面，主要申请人有日本丰田、舍弗勒、SKF、NSK等。
成长期（2010年至今），专利数量总体呈现快速增长趋势，可分为2个阶段：第一阶段系2015年之前，专利数量增长动力主要来源于德国、瑞典、法国、日本等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计方面。第二阶段系2016年以后，中国专利数量占总申请量比重逐年扩大，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造、行星滚柱丝杠副传动精度及效率测量、刚度特性试验等方面。
截止2021年，中国的累积专利申请量最多（325项），占总申请数量44%，且在各技术领域的专利申请数量均保持较高水平。
（2）滚柱丝杠新兴技术领域众多，国内高校具备相当技术基础
行星滚柱丝杠技术发展方兴未艾，专利涉及多个新兴专业领域。近年来，行星滚柱丝杠副总体结构设计技术、螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术、深孔内螺纹制造技术研究、传动效率测量试验研究方面的年申请数量较多且呈增长趋势，是目前高精度行星滚柱丝杠副技术领域的热点。啮合机理与接触特性研究、静刚度与变形研究、载荷分布与均载方法研究、摩擦机理与传动效率研究方面的专利均在近几年出现，是目前高精度行星滚柱丝杠副技术领域的新兴技术，主要由中国相关研究机构申请。
国内申请专利机构主要为研究所和高校，包括北京精密机电控制设备研究所（42项）、西北工业大学（22项）、南京理工大学（14项）、哈尔滨工业大学（10项）、中国船舶704研究所（8项）。
四、市场机遇
1、丝杠：多领域逐步渗透，有人才＆设备＆成熟产品的公司或具备先发优势
目前来看，人形机器人、智能汽车基本无需使用精度最高的高端丝杠。在下游需求高速增长背景下，主机厂对丝杠厂商的核心要求是大规模制造工艺能力和生产组织能力强，和客户配合度高，可以按照主机厂要求及时扩产。
国产厂商低成本大规模扩产实力强，相较日本、欧洲以及中国台湾厂商更有优势。日本、欧洲的丝杠产品定位高端，价格贵，主要厂商扩产计划谨慎，而且产能大部分在海外，用工贵。中国台湾厂商主打中高端市场，丝杠产品价格比日欧低，但高于国产，扩产成本也高于国内。国产厂商按优势不同又可分为3类：
（1）以丝杠为主业的先发者最具优势
滚珠丝杠和行星滚柱丝杠属于关键的精密传动部件，一般还要和电机等配套使用，因此对稳定性、品质要求高，在客户端进行产品认证周期长。资金实力强的后进入者即使能够快速把产品做出来，也必须经历一段长认证周期才能真正供货。而先进入者在丝杆行业深耕多年，产品已经通过多家客户认证，导入新客户的认证周期可以大大缩短。
丝杠是重资产行业，先进入者有多年积累的设备储备。目前海外设备商交期延长，先发者凭借和海外设备厂的长期合作有望以相比后进入者更短的时间采购到新设备，及时满足客户扩产需求。后发者采购新设备的折旧费用在未来几年内也会对利润造成影响。
（2）由减速器和由轴承拓展丝杠业务的公司，在丝杠设计、加工工艺上具备技术优势
由减速器切入丝杠的企业：行星滚柱丝杠是将行星减速器与丝杠的原理相融合的产品，由行星减速器切入行星滚柱丝杠的厂商在产品设计上具备优势。从生产工艺看，行星减速器生产过程的核心工艺为磨齿和热处理，也与行星滚柱丝杠近似。
由轴承切入丝杠业务的企业：轴承和丝杠所应用的底层基础学科都为摩擦学和材料学，生产过程中的核心工艺均为热处理和研磨，全球知名轴承厂商斯凯孚、伊维莱（原隶属斯凯孚线性运动技术事业部，2019年从斯凯孚独立）、INA（舍弗勒旗下）、日本NSK、THK均在滚珠丝杠行业占据重要份额。
（3）成熟的精密加工件制造企业切入丝杠业务，也将享有发展机遇
丝杠，尤其是中高端丝杠，属于精密传动部件。大批量生产过程中需要保证产品的一致性，这对厂商的加工能力提出高要求。海外以博世力士乐为代表的液压件龙头凭借强劲的精密部件大批量生产实力，在全球滚珠丝杠市场也占据重要份额。国内在精密加工方面具有加工优势的企业，也同样有望将凭借自身优势，在市场获得发展机遇。
2、丝杠行业迎资本开支潮，国产设备供应商受益
目前国内可成熟供应丝杠生产所需的前道设备，但后道核心设备高精度数控螺纹磨床的国产化率低，特别是生产高端丝杠的高精度螺纹磨床，基本完全依赖进口。
在丝杠行业迎来大规模扩产需求，同时海外数控螺纹磨床产能紧缺的背景下，国产前道设备商的收入规模有望加速扩大，后道设备国产替代进程有望加快。
五、相关企业
1、贝斯特：全面布局滚珠丝杠赛道，
公司积极布局工业母机领域，全面布局直线滚动功能部件，产品包括：高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等。2022年1月，公司设立全资子公司“无锡宇华精机有限公司”，充分发挥公司在工装夹具、智能装备、工业自动化集成等领域的技术优势和在汽车行业的生产管理体系优势，全面布局直线滚动功能部件（产品包括：高精度滚珠/滚柱丝杠副、高精度滚动导轨副等），瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业、机器人领域等市场进行大力开拓，高举高打，快速切入“工业母机”新赛道。根据公司2023年半年报，公司生产的滚珠丝杠副、直线导轨副等产品首台套已实现成功下线，部分产品已在送样验证过程中。
2、恒立液压：精密加工工艺深厚，募投项目重点布局滚珠丝杠项目
恒立液压是国产液压件制造商，产品包括液压油缸、液压泵阀、油缸配件、液压系统、挖掘机专用油缸等，目前规划布局滚珠丝杆精密传动部件。根据公司公开信息，2021年9月，公司通过非公开发行方式募集资金，其中线性驱动器项目重点发展滚珠丝杠，达产后将形成年产104,000根标准滚珠丝杆电动缸、4,500根重载滚珠丝杆电动缸、750根行星滚柱丝杆电动缸、100,000米标准滚珠丝杆和100,000米重载滚珠丝杆的生产能力。恒立液压之所以能进军滚珠丝杠赛道，是凭借多年在液压领域的深厚积累，拥有精密加工制造能力，具备生产滚珠丝杆的技术、工艺和设备基础，能够实现滚珠丝杠产品的高质量生产。
3、秦川机床：母公司为上游精密磨床领先制造商，滚珠丝杠已量产出货
汉江机床是上市公司秦川机床的子公司，也是国家第三个五年计划时期兴建的三线建设重点工程之一，机械工业大型骨干企业，国内螺纹磨床主导企业。公司主营产品包括机床与滚动功能部件，具有50年的设计制造经验。母公司秦川机床生产的精密磨床包括螺纹磨床、蜗杆磨床、外圆磨床等，其中螺纹磨床可用于滚珠丝杠副、螺杆副、精密蜗杆等产品的加工，多项产品填补了国内空白。近年来秦川机床通过自主研发及制造，对螺纹磨床系列产品的高效升级改造，子公司丝杠产品精加工水平得到有效的改善，精度达到国际先进水平。子公司汉江机床的丝杠产品精加工全部为其自主研发制造的螺纹磨床。
2023年7月，秦川机床为“新能源汽车领域滚动功能部件研发与产业化建设项目”实施定向增发，该项目达产后将新增滚珠丝杠/精密螺杆副产能28万件/年、滑动直线导轨产能13万米/年，公司滚珠丝杠/精密螺杆副产品产能将提升至38万件/年，滑动直线导轨产能将提升至18万米/年，产能分别提升达到280%和260%。
4、华辰装备：轧辊磨床龙头企业，立足精密磨削技术拓展产品边界
持续深耕精密磨削领域，不断提升高端数控高精度磨削技术。华辰装备主要从事全自动高精度数控轧辊磨床研发生产，根据公司23年半年报，其轧辊磨床产品在国内有色、造纸行业应用广泛，并已出口到泰国、印度、乌兹别克斯坦等国家。2017年起公司与德国Wieland公司联合研发数控内外圆复合磨床，并搭载公司自主研发的数控系统，经过5年时间开发出国内亚微米级万能精密复合磨削中心，最高磨削工件精度可以达到0.2um。公司主要产品包括全自动数控轧辊磨床、内外圆复合磨床、维修改造服务以及备件产品，2022年全自动数控轧辊磨床收入占比82.12%。
营收受疫情和国内外宏观影响波动较大，2023年业绩修复明显。2020年公司受外部环境影响，行业需求下降，业绩承压。2021年随着疫情防控的统筹推进和机床行业恢复性增长，公司收入及业绩明显恢复。2022年公司受国内外局势与供应链不畅等多重因素影响，部分进口零部件无法按期交付导致公司产品交期延长，营收同比减少17.86%，归母净利润同比减少38.35%。2023年国内外局势与供应链好转，公司前三季度营收同比增长44.79%，归母净利润同比增长337.17%。
5、日发精机：深耕数控机床，入局人形机器人用丝杠磨床
数控机床与航空装备齐头并进。日发精机成立于2000年，主要产品包括立式数控车床、卧式数控车床、立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心和落地式镗铣床，主要从事数字化智能机床及产线、航空航天智能装备及产线、智能制造生产管理系统软件的研制和服务、零部件加工及飞机租售等运营服务。根据公司半年报，其子公司日发机床专注于中高端数控机床的研发。2014年收购全球领先的卧式加工中心制造商意大利MCM公司，发力高端数控机床领域。
日发精机营收小范围波动，机械零部件业务占比逐年提升。公司横跨高端制造和航空服务两个行业，受全球经济发展、地缘政治冲突等一系列不确定因素的影响较大。从收入结构看，机械零部件制造占总营业收入的比例不断增大，公司不断聚焦高端机床设备研发，提升产品质量。而航空服务业2023年受能源价格不稳定、全球经济增长放缓等影响，出现营收下降的情况。
入局人形机器丝杠用数控螺纹磨床，已签订小额螺纹磨床合同。根据日发精机2024年1月15日及16日投资者关系活动记录表，公司研发出了新产品数控螺纹磨床，包括数控外螺纹磨床和内螺纹磨床，用于人形机器人上的丝杆与螺母的试磨情况良好，高效且精度符合客户要求。此外，公司在市场开拓上取得一定的进展，目前在与一些客户做技术方面的交流。用于丝杆螺母的端面外圆磨床已经向某客户交付，并与另一客户签订了小额螺纹磨床合同。
六、市场空间
1、滚珠丝杠：预计2030年全球市场规模可达28.13亿美元
全球滚珠丝杠市场规模稳步增长，预计2030年将达28.13亿美元。根据秦川机床2023年定增公告，2015年全球滚珠丝杠市场规模为12.23亿美元，2021年增至17.50亿美元，CAGR为6.15%。根据Verified Market Research统计数据，2022年全球滚珠丝杠市场空间17.99亿美元，预计到2030年达到28.13亿美元，期间复合增速5.93%。
2022年中国滚珠丝杠市场规模约为28亿元。根据秦川机床2023年定增公告，中国是滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，近年来国内市场规模占全球规模总量的20%左右。2015年我国滚珠丝杠市场规模为14.31亿元，2021年我国滚珠丝杠市场规模约为25.55亿元，CAGR为10.14%，高于全球复合年增长率。2022年我国滚珠丝杠市场规模约为27.70亿元。
国内滚珠丝杠供需缺口明显，产品价格下降趋势放缓。从国内行业供需情况来看，滚珠丝杠需求量远远大于生产量，行业供需缺口明显。据华经产业研究院统计，2021年中国滚珠丝杠（滚珠丝杠副）产量达到983万套，需求量为1406万套。从价格走势来看，近几年来随着我国滚珠丝杠副行业市场竞争加剧，国内企业向中高端市场渗透，外资品牌积极抢占经济型产品市场份额，行业市场竞争显著加剧，使得行业市场价格总体呈现出明显的下降态势。据华经产业研究院数据显示，国内滚珠丝杠价格从2014年225元/套的均价下降至2021年的181元/套，CAGR为-3.06%，价格下降速度逐渐放缓。
2、行星滚柱丝杠：人形机器人打开市场空间，长期万亿蓝海市场
Optimus使用行星滚柱丝杠方案，测算长期市场空间28万亿。特斯拉人形机器人Optimus采用电机驱动，身体拥有28个执行器，并且使用旋转执行器和线性执行器两种方案。基于无框力矩电机+谐波减速器+力矩传感器+双编码器+交叉滚子轴承+角接触球轴承的旋转执行器；基于无框力矩电机+编码器+行星滚柱丝杠+力传感器+深沟球轴承+四点接触轴承的线性执行器。通过进行共性研究减少使用驱动器的种类，目前Optimus使用6种执行器，旋转和线性各3种。
身体拥有28个执行器，14个旋转执行器+14个线性执行器。分布如下：左臂+右臂：7+7，其中肩部3（×2）个旋转执行器，肘部1（×2）个直线执行器，手腕1（×2）个旋转执行器+2（×2）个直线执行器；左腿+右腿：6+6，其中髋部2（×2）个旋转执行器+1（×2）个线性执行器，膝盖1（×2）个线性执行器，脚踝2（×2）个线性执行器；腰部：2个旋转执行器。
旋转执行器采用无框力矩电机+谐波减速器+力矩传感器+双编码器+交叉滚子轴承+角接触球轴承的方案。无框力矩电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机（Bespoke Permanent Magnet Machine）。减速器：使用谐波减速器，结构简单，减速比大，传动精度和传动效率较高。位置传感器：使用两个，即双编码器，包括输入位置编码器、输出位置编码器。力矩传感器：使用一个非接触式扭矩传感器。轴承：使用角接触轴承、交叉滚子轴承。
线性执行器方案采用无框电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+深沟球轴承+四点接触球轴承的方案。电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机（Bespoke Permanent Magnet Machine）。丝杠：使用反向式行星滚柱丝杠，具有较强刚性。编码器：使用一个位置传感器。力传感器：由于丝杠没有反驱性，配置力传感器。轴承：使用深沟球轴承、四点接触球轴承。
人形机器人Optimus身体核心零部件行星滚柱丝杠市场空间测算：单台机器人行星滚柱丝杠数量为14个，假设单价从2026年的4000元下降到2030年2000元（假设每年价格下降500元），2030年乐观/中性/悲观情景下市场空间分别为560/420/224亿元。
人形机器人Optimus身体核心零部件行星滚柱丝杠长期市场空间测算：根据马斯克，如果人形机器人和人的比例是2比1，人形机器人的需求量将在100亿-200亿台，保守假设长期全球人口数量为100亿人（2022年为80亿人），人形机器人的渗透率为20%（20%人口每人拥有1台机器人），单台机器人行星滚柱丝杠数量为14个，单价下降到1000元，单台人形机器人价值量为1.4万，人形机器人Optimus行星滚柱丝杠长期市场空间为28万亿元。
七、发展趋势
根据华经产业研究院，2022年中国滚珠丝杠需求量1555万根，估计全球需求量约7700万根；根据HIS Markit，2022年中国行星滚柱丝杠销售数量1.0万根，全球销售数量8.6万根。
目前滚珠丝杠已得到广泛应用，但行星滚柱丝杠的使用范围相对较小。面向人形机器人“百万级”量产的目标，行星滚柱丝杠还面临巨大的量产压力。
从解决高效规模化生产的角度看，丝杠制造技术的发展趋势包括以下几个方面：
生产设备专业化。目前国内滚珠丝杠生产企业的加工设备还是常规的通用设备，专有设备工具和专有技术少之又少。为了应对日益激烈竞争的市场需求，大量的专业化生产设备、工具将被研发、应用。例如，专用磨具、刀具和夹具的研发应用，螺母加工专用车铣中心及磨削中心的研发应用，硬加工机床的研发应用，以及自动生产线的研发应用等。
磨制的中等精度等级滚珠丝杠将逐渐被铣制、轧制滚珠丝杠代替。由于数控系统补偿技术得到长足进步和发展，对滚珠丝杠精度要求不再像以往那样地追逐，中等精度等级滚珠丝杠将被更广泛地应用，铣制、轧制滚珠丝杠将在满足中等精度等级要求的前提下占有更大的市场份额。
在高精度等级滚珠丝杠方面，对滚珠丝杠磨削技术的要求将越来越高，不仅要求更精密，而且要求更高效。在电子系统受干扰的航天、航空和军工等领域，高精度的磨制滚珠丝杠具有无可替代的地位。
滚珠丝杠专用材料将被研发和应用。随着滚珠丝杠企业转型升级的不断深入，滚珠丝杠专业化生产将达到史无前例的程度，原材料作为滚珠丝杠的根本，必将会被重视和研究。
八、参考研报
长城证券-通信行业深度报告：丝杠，精密传动部件机器人中必不可少，国产替代蓄势待发
中邮证券-机械设备行业：高价值量的核心传动部件，丝杠及设备
东吴证券-电力设备与新能源行业人形机器人深度之四：滚柱丝杠，让运动更丝滑，国产替代蓄势待发
广发证券-人形机器人行业系列十三：丝杠工艺与国产设备，长路漫漫亦灿灿
光大证券-人形机器人行业系列报告（四）：丝杠，线性传动核心部件，国产替代星辰大海
国泰君安-人形机器人行业系列之丝杠：人形机器人带来新机遇，丝杆行业国产替代加速进行
国投证券-2024年人形机器人行业专题策略（二）：人形机器人催生丝杠需求，“卖铲人”有望优先受益
华鑫证券-机械设备行业深度报告：行星滚柱丝杠~高精技术集成之作，人形机器人线性关节
西南证券-机械设备行业人形机器人系列报告~丝杠：人形机器人打开市场空间，丝杠迎国产化新机遇
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