滚柱丝杠行业深度分析：国产替代蓄势待发
滚柱丝杠行业深度分析：国产替代蓄势待发
随着人形机器人产业的兴起，作为关键零部件的滚柱丝杠受到广泛关注。本文将深入探讨滚柱丝杠的技术特点、市场应用、生产流程以及国产替代进展，帮助读者全面了解这一重要机械传动部件。
丝杠的基本原理与分类
丝杠是一种常见的机械传动装置，用于将旋转运动转换为直线运动。根据运动方式的不同，丝杠主要分为以下几类：
- 滑动丝杠（多为梯形丝杠）
- 滚珠丝杠
- 行星滚柱丝杠
- 静压丝杠
其中，行星滚柱丝杠因其优异的综合性能，在航空等高端领域得到广泛应用。特斯拉人形机器人预计将使用8-10个滚柱丝杠和4-6个梯形丝杠，而国内大部分机器人采用电流环方案，无需使用丝杠。
梯形丝杠：技术成熟但精度有限
梯形丝杠是一种滑动运动，适用于慢速、精度要求不高的领域。其主要特点包括：
- 传动效率：30%-70%（低于滚珠90%+）
- 高速发热：适用于低速运动
- 精度：C10以上（滚珠最高可到C0级）
- 自锁功能：滚珠无，需外加零件
梯形丝杠加工工艺简单，主要采用切削工艺，已经成熟广泛推广。目前多用旋风铣销丝杠设备，可替代此前的车削工艺，减少表面粗糙度。
滚珠丝杠：精度高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。其核心部分是滚珠，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。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。
滚柱丝杠的性能要求与原材料
滚柱丝杠在人形机器人中的应用重点关注高精度、负载大、结构紧凑等性能。按照中国台湾的JIS等级，精度可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10。目前滚柱丝杠精度可达C1级别（±5um/300mm），由于结构设计，实际精度表现优于滚珠同等级标定。
材料性能要求高，多采用不锈钢、合金调质钢、高碳铬轴承钢等。国产Cr/Mo合金钢性能较海外仍有差异，体现在国产Cr/Mo钢存在明显的带状偏析组织，表面硬化层、过渡层到心部的金相组织分布不合理，各部位元素分布不均，在实际使用中易断裂。
滚柱丝杠的生产流程与设备
滚柱丝杠的研磨加工工艺与滚珠丝杠类似，需经过预热处理、粗加工、半精加工、精磨加工和终加工阶段，前后工序共10-20道。其中热处理和精磨是核心环节，精磨螺纹和螺母影响精度，热处理影响寿命，装配影响一致性。
精磨对滚珠丝杠的精度起到绝对性影响，包括螺距误差、牙型误差等，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。海外老牌磨床历史久、产品性能领先、但订货周期长。国内高精度磨床技术还需提升。
行业格局与国产替代进展
目前市场需求量小：与滚珠丝杠这类型成熟产品不同，滚柱丝杠目前应用领域小，23年全年市场空间预计不足10亿元，按照单价2万，年需求仅5万套。
德国Schaeffler集团多次收购竞争对手、几乎垄断滚柱丝杠市场：舍弗勒控股的瑞士GSA在欧洲市场滚柱丝杠份额第一，且聚焦高端市场；GSA于2016年收购欧洲滚柱丝杠规模第三的瑞士ROLLVIS公司，22年舍弗勒再收购滚柱丝杠规模第二的Ewellix公司，Ewellix前生为SKF行星滚柱丝杠部门（1968年SKF集团收购法国Transrol进入行星滚柱丝杠领域，2018年被欧洲Triton集团收购，2019年更名Ewellix），收购ewellix主要是要布局低端领域，如汽车制造，钢铁，化工等领域。至此，舍弗勒基本垄断中低端滚珠丝杠市场。规模第四的厂商为意大利VCS（2007年被美国MOOG集团收购）。其余厂商如美国CMC、Exlar，日本的THK、NSK等均未形成大规模。
国内厂商加大滚柱丝杠研发与布局，看好拥有精磨设备的厂商。主要有三类厂商，一是滚珠丝杠厂商延伸，二是购买精磨设备的新厂商，三是代工组装方式。滚珠丝杠厂商如秦川机床、鼎智科技、新剑传动，有一定的技术同源性，但技术待提升空间也较大；已购精磨设备新厂商，如贝斯特、恒立液压，其优势在于拥有进口的高精度精磨设备，但由于新进入，经验积累有限，因此进度相对较慢；第三，代加工方式，执行器厂商如三花，通过培养多个厂商，每个厂商分别生产两个零部件，由三花进行组装，同时其也购买精磨设备，同步开发，并且滚柱零配件商如北特等，也将精磨环节代工。我们更看好拥有精磨设备的厂商，未来突破可期。
成本构成与未来降本空间
生产效率和良率，是滚柱丝杠未来降本的关键所在。如前文所述，滚柱丝杠对精度和一致性要求极高，因此产品良率低，需高精度设备与工艺积累。其次，高精度设备依赖进口，特别是高精度螺纹磨床，一台价格超1000万，叠加其他设备，整体设备投资1800万。目前生产效率低，平均一天1.5套，按照50%良率，生产成本高于1万/套；而远期技术成熟后，滚柱丝杠设备生产效率有望提升至8套/天，且整体设备投资降低至1000万以内，则成本将下降至800元以内，助力人形机器人降本。