机器人系列报告五：紧扣产业链安全，滚动功能部件国产化势在必行

研究背景：《中国制造2025》即提出要加快高档数控机床、机器人等领域的主要功能部件的产业化以及加快关键零部件的突破； 在外部宏观环境不确定性因素增加背景下，党的二十大报告指出，“着力提升产业链供应链韧性和安全水平”，其中要求聚焦被“卡脖子”的关键行业、核心技术，围绕核心基础零部件与基础制造工艺等，在关系国家安全的领域和节点确保自主可控。围绕2023年“内需+安全”的投资主线，我们注意到，以滚珠丝杠副为核心的滚动功能部件成为机械、汽车等多领域产业链上游企业布局中长期发展的关键新产品，同时以人形机器人为代表的新兴应用场景的出现，也引发了市场对上游关键零部件国产替代的关注。我们希望能通过本文对滚动功能部件的原理、制造、应用做出详实介绍，为认识产业链未来发展趋势和竞争格局提供参考意义；同时本文亮点也在于，通过对比海外龙头制造商，希望能深入了解滚珠丝杠国产替代过程中的潜在挑战，并筛选出具备投资价值的优质国产制造企业。 中国滚动功能部件市场规模约330亿元，新兴应用打开成长空间。由两套直线导轨副和一套滚珠丝杠副组合而成的滚动功能部件是一种将旋转运动与直线运动进行双向转换的传动装置，在高速度、高效率、高精度方面满足现代机械传动需求，被广泛应用于机床、工业（自动化+专用设备）、航空航天、医疗、汽车等领域。根据金属加工杂志社，2022年预计我国滚动功能部件市场规模330亿，至2025年有望增长至462亿，CAGR达12.4%，粗略估计滚动功能部件在泛工业制造中的应用约占总需求的70%，同时新兴应用场景的持续出现也推动了其需求的不断扩张，例如注塑机、压力机、工程机械等领域的电动化趋势，以及人形机器人商业化前景下的供应链产品升级。 在高端应用市场仍被外资垄断的格局下，国产制造商或将在材料、设备、生产三个维度寻求国产替代突破：滚珠丝杠制造属于技术密集型、资金密集型精密加工产业，壁垒较高。根据金属加工杂志社，在国内中、高端市场如CNC机床、印刷机、精密机器人等领域，外资品牌分别占据30%、90%的市场份额。对比海外龙头，国产替代的挑战或从以下三个维度分析： 三大方向——锂电设备2022年报及2023年一季报综述 ①材料端：微量元素配方是行业壁垒之一，国产制造商和原材料供应商在高渗碳轴承钢、高强度合金钢等基础材料的研发、应用已经基本实现突破。 ②设备端：工欲善其事必先利其器，设备作为工艺的物化，国产替代初期进口高端设备有利于国产制造商快速推出高品质滚珠丝杠产品，但进口设备价格较高、交付周期较长或成为导致国产制造商出现梯队分化的关键因素。 ③生产端：滚珠丝杠产品同时具有定制化和标准化属性，相对一致但又繁杂的加工过程决定了产品良率控制是国产制造商需要突破的关键课题。要实现较高的产品一致性，要求制造企业对生产过程中的关键工艺，如热处理、材料切削、部件研磨、性能检测等技术均有较为熟练地掌握，深耕精密加工的企业往往具备一定优势。 投资建议：行业层面来看，国家战略大方向下，滚珠丝杠国产替代已成趋势，传统应用替代空间相对充分，新兴产业进一步打开成长空间。新玩家集中进场旨在把握国产替代窗口期，我们认为本身具备精密加工制造基因的玩家有望凭借高端设备布局和优质下游资源，更有利于打造自身先发优势，加速国产替代节奏。 建议关注： 【恒立液压】：高端液压件国产替代领军企业，重新瞄准滚珠丝杠市场国产化机遇，定位高端机床+工程机械，布局起点高。 【秦川机床】：工业母机产业国企改革典型标的，机床+零部件上下游布局协同效应强，产品已率先应用于新能源汽车领域。 【贝斯特】：深耕精密零部件加工，进口设备进入交付、安装期，首台套高端机床用滚动功能部件已下线，布局进度快。 【恒而达】：金属切削工具领先制造商，金属材料与工艺积累深厚，直线导轨副产品率先实现批量化，有望贡献收入增量。 【江苏雷利/鼎智科技】：子公司鼎智科技具备精密运动控制解决方案能力，和集成商三花智控紧密合作，积极参与布局特斯拉人形机器人产业链。 风险提示：宏观经济周期性波动风险、新兴应用产业化进度不及预期、市场竞争加剧影响行业盈利水平、钢材原材料价格波动风险、新产品产能释放不及预期、国产替代进度不及预期、测算/假设不及预期。 1.滚珠丝杠：高端装备国产化之路中的关键零部件 1.1.滚珠丝杠副与直线导轨副共同组成了应用广泛的机械传动装置 滚动功能部件是通过滚动体在接触滚道中的滚动，将传统的滑动摩擦传动形式转换为滚动摩擦传动，从而大大提高传动效率和运动精度的精密关键部件。滚动功能部件主要包括滚动丝杠副、滚动直线导轨副、滚柱花键、滚动直线运动装置等，其应用广泛，从数控机床行业逐渐拓展到医疗器械、新能源汽车、机器人等智能化行业，其中滚珠丝杠副和滑动直线导轨副的组合技术发展最快、产业化程度最高、应用领域最广。 其中核心部件滚动丝杠副（滚珠、滚柱两大类滚子）是一种可以将旋转运动与直线运动进行双向转换的传动元件，相较传统的滑动丝杠副传动效率更高。滚动丝杠副构件间的可动联接不借助于运动副本身，而是通过在丝杠和螺母之间的中间元件滚珠来实现，从而以滚动摩擦代替了滑动摩擦。与传动的滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副只需要原来的三分之一动力即可达到同一水平的传动效果，其能够减少传动副摩擦、提高传动效率，能够更好满足现代机械传动在高速度、高效率、高精度等方面的要求。 图1.滚动功能部件包括滚珠/滚柱丝杠副、滚动直线导轨副等 滚珠丝杠上游材料端直接影响产品性能，下游应用领域广泛。从产业链上游来看，滚珠丝杠上游主要为滚珠丝杠的零部件，即丝杆、螺母和滚珠等，其原材料主要为钢铁等原材料。构件所选用的材料影响滚珠丝杠副的刚度、强度、耐磨性等，良好的微量元素配比能够减少加工流程中的畸变和裂纹，在提高加工效率的同时，能够提高滚珠丝杠的耐磨性和解除疲劳强度以及使用寿命，因此滚珠丝杠存在材料配方壁垒，厂家通常选用综合性能良好的轴承钢、合金钢等作为滚珠丝杠副的原材料。从产业链下游来看，滚珠丝杠是众多机械设备不可或缺的传动元件，其产业链下游应用广泛，包括机床、航空航天、汽车、冶金、医药等多种领域。 图2.滚珠丝杠产业链概况 1.1.1.滚动功能部件的组成包括滚珠丝杠副和直线导轨副 （1）滚珠丝杠为工具机械和精密机械上常用传动元件。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠组成的部件，可以将旋转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为旋转运动，具备高精度、可逆性和高效率的特点。滚柱丝杠副行业伴随机床工业发展而发展起来，目前已广泛应用于机床、汽车、航空航天、医疗器械、建筑、包装印刷等领域。滚珠丝杠主要的零部件及作用如下： ①丝杠：转动部件，直线度高，具有半圆形螺旋槽的螺纹； ②螺母：用来固定需要移动的负载； ③滚珠：作为承载体、中间传动元件，以滚动方式传递运动； ④防尘片：密封丝杠、螺母，防止外部污染物进入螺母内部； ⑤油孔：用于加润滑油，保持滚柱丝杠结构运行时良好的润滑。 图3.滚珠丝杆内部结构图 图4.滚珠丝杆外观图 （2）滚动直线导轨副为滚动功能部件的组成部分，具有导向、承载、定位等功能。滚珠直线导轨副由滑块、滚动体、导轨、反向端盖以及保持架等部分组成，因滚动直线导轨副具备运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、磨损小、润滑维修简便等优点，其在高档数控机床中应用广泛。其主要零部件及作用如下： ①滑块：与机床运动部件相连，通过滚动体滚动实现与导轨的相对滑动； ②导轨：固定在基座上，起运动导向作用，其加工精度直接决定了滚珠导轨副精度； ③滚动体：直线导轨副的承载部件，常用类型包括滚珠和滚柱两种，其中滚珠具有摩擦小、自调心能力强与误差均化优点，但承载能力较小；滚柱有较大承载能力，但摩擦力较大； ④反向器：用于实现滚动体循环运动； ⑤密封端盖：起到密封及防尘作用，同时端盖内密封有润滑油，保持滚道润滑； ⑤保持架/板/链：用于隔离滚动体，防止滚动体之间碰撞和摩擦，有效降低直线导轨副噪声。 图5.直线导轨内部结构图 图6.滚柱直线导轨副三维结构 1.1.2.滚珠丝杠可根据循环方式、加工工艺、特殊应用进行分类 滚珠丝杠分类方式众多，①根据滚珠循环方式：可分为内循环、外循环、端盖式外循环以及螺母旋转式滚珠丝杠；②根据加工工艺：可分为磨削、冷轧滚珠丝杠；③根据特殊应用场景：可分为高负荷、自润式、静音式、高速化滚珠丝杠。 （1）根据循环方式： 根据滚珠的返向循环回路是否脱离丝杠的滚道，滚珠丝杠可分为内循环式、外循环式和螺母旋转式，其中外循环一般指插管式外循环和端盖式外循环。 内循环：滚珠循环时不脱离丝杠表面。内循环式滚珠丝杠装有接通相邻滚道的返向器，滚珠在翻越螺纹滚道牙顶后，借助返向器上回珠槽的作用重新回到初始滚道。采用内循环方式的滚珠丝杠的螺母外径小，可微型设计，满足最小空间安装，并且制作简单、成本低。内循环式丝杠适用于中小导程、中低速度场景，如3D打印机、中小型医疗扫描仪等。 外循环：滚珠循环返回离开丝杠表面。插管式外循环：适用范围广，多作为标准产品。插管式外循环滚珠丝杠将部分的成形弯管插入螺旋滚道，以弯管端部舌形斜口作为挡珠器来引导滚珠进出弯管以构成循环通道。其结构简单，工作可靠，工艺性好，易于批量生产，与内循环相比可以实现更大导程、更强承载能力。插管式外循环应用广泛，能适用于重载高速的驱动系统和精密定位系统，能实现大、小导程。 端盖式外循环：可为多线螺纹，应用于多牙口设计。端盖式外循环滚珠丝杠在螺母端部配置滚珠返向器，在螺母内设置贯通孔，滚珠通过端盖和螺母滚道内部的贯通孔实现循环。其螺母径向、轴向尺寸小，滚珠循环部的加工复杂，可实现多线螺纹、承载能力大。端盖式外循环式适用于多线、高承载、低转速、低精度传动行业的应用场景。 螺母旋转式：螺帽和支撑轴承一体成型，丝杠固定，螺母旋转。螺母旋转式滚珠丝杠是采用驱动元件带动螺母做旋转运动，通过螺母内部滚珠的移动，使丝杠和螺母产生相对位移。在丝杠固定的情况下，螺母相对丝杠产生直线相对运动，完成传动过程。螺母旋转式可以有效提高大导程丝杠传动的稳定性和传动机构的刚性，优化各种直线轴进给结构。螺母旋转式适用于长行程、重载、高速领域，应用于半导体机械、产业用机器人、搬送装置等。 表1：滚珠丝杠按循环方式分类 （2）根据加工方式： 滚珠丝杠生产环节多，良率控制为生产难点。滚珠丝杠结构复杂，加工工序较多，除了复杂的冷加工部分，还有前期的预热处理、螺纹滚道部分淬火处理，中期的时效处理等热处理工序，一件滚珠丝杠的制作大约需要20多道工序，于是控制良率成为生产中的难点。滚珠丝杠下游应用多元、产品性能要求各有不同，但整体来看加工流程较为标准化，只在材料端和关键工艺上略有区别。从工艺角度来看，滚珠丝杠整体可分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两类： ①磨削滚柱丝杠加工工艺复杂，精度更高。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，制造精度高达到P1级，非常适合给高精度设备做定位部件，同时材料及热处理方式对滚珠丝杠成品零件的制造质量及精度影响非常大。 ②轧制滚珠丝杠自动化程度更高，制作周期短，精度较低。采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低、效率高，但制造精度较低，停留在P7级左右，只能在设备中做传动部件。 表2：滚珠丝杠按加工方式分类 表3：磨削滚珠丝杠机械加工工艺复杂 表4：冷轧滚珠丝杠机械加工工艺更为简单 （3）根据特殊用途： 为满足下游应用需求，适应各行各业的工作环境，根据丝杠的功能、特点和特殊用途不同，滚珠丝杠也可以划分为高负荷、自润式、静音式和高速化等。 高负荷：承受较大的轴向负荷。重负荷滚珠丝杠采用特殊的几何牙沟与回流系统设计，降低丝杠牙沟所承受的轴向负荷，提升滚珠丝杠所能承受的最大负载力。相较于一般标准滚珠丝杠，其额定负荷大幅提升约2-3倍以上，于高负载应用下可以提供更长的使用寿命。广泛应用于全电式射出成形机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械、锻压机械等领域。 自