机床行业系列专题（三）：丝杠--核心传动部件

丝杠是数控机床核心传动元件。丝杠是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力的传动零件，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。其广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域的传动控制系统之中。根据摩擦特性不同，可以将丝杠分为滑动丝杠、滚动丝杠（滚珠丝杠和滚柱丝杠）和静压丝杠。滚珠丝杠副主要由丝杠、滚珠和螺母组成。滚珠丝杠的主要性能参数包括精度等级、轴向间距、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等，其中精度等级是最重要的因素。滚珠丝杠产业链上游主要是制造滚珠丝杠副的原材料和零部件产业，下游广泛应用于机床、航空航天、汽车、冶金、工业机械、医疗等领域。滚动丝杠的未来迭代趋势是行星滚柱丝杠，主要变化是负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠，在传动平稳性、负载能力、转速及加速度、寿命等性能方面更具备优势。全球滚柱丝杠市场未来十年预计成长至5.57亿美元，考虑到行星滚柱丝杠能够在定位方面达到更高的导程精度和稳定性，未来有望规模应用于高端精密数控机床领域。 市场供需缺口显著，进口替代叠加产业链筑基需求。从市场规模看，全球滚珠丝杠市场持续高速成长，在2029年有望达到31.72亿美元的规模。我国是滚珠丝杠产品消费的重要市场，近年来保持高增速。国内市场滚珠丝杠供给端持续弱于需求端，行业供需缺口不断扩大，支撑着滚珠丝杠产品单价下降趋缓，保持较高韧性。从竞争格局看，全球滚珠丝杠市场行业集中度高，国内品牌在中高端市场占比较低。国内滚珠丝杠行业基数低但增长迅速，有望乘风实现国产替代。 在产品端进口替代的进程之外，我国核心制造业产业链可靠性“筑基”需求亟待实现。国内品牌滚珠丝杠产品性能参数同国外产品存在差距，主要系国内磨床水平较低和淬火等工艺经验积累不足。磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削工艺的核心设备是高精度磨床，所以设备精度决定了滚珠丝杠的性能下限，如今在国家政策的扶持下，国产厂商将能够获得更多新产品的验证机会，有望加速产品迭代进程，真正实现自主可控及可靠性“筑基”。 国产滚珠丝杠厂商发力正当时。建议关注国内滚珠丝杠领先厂商。1）汉江机床（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；2）南京工艺：国资委实际控股，多年深耕滚珠丝杠；3）贝斯特：特斯拉直接供应商，大举进军滚珠丝杠产业；4）恒立液压：以定增布局标准及重载滚珠丝杠，项目投产在即。 风险提示： 下游需求不及预期风险；导入机床供应链进度不及预期风险等。 1数控机床传动系统核心：丝杠 1.1丝杠——高精度传动部件 丝杠是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力的传动零件，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。其广泛应用于数控机床、制造设备、机器人、精密仪器等领域的传动控制系统之中。在机床上，它是用以完成进给运动的重要元件，不仅要精确地传递运动过程，还需要能够传递一定的动力，在精度、强度、耐磨性等各方面均有较高要求。 图表1：丝杠的分类、特点及其应用 根据摩擦特性不同，可以将丝杠分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠。其中滚动丝杠又可分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两种形态。 滑动丝杠的螺纹通常为梯形、锯齿形及矩形三种，梯形丝杠应用最广，锯齿形主要用于单向受力，矩形螺纹虽然在滑动丝杠中传动效率相对较高，单加工较困难且强度较低，应用较少。滑动丝杠的特点主要有摩擦力较大，传动效率较低，磨损快，低速和微调传动容易出现爬行，易自锁，定位精度和轴向刚度较差。但由于其结构简单，易结合具体要求进行结构调整，成本较低，故被用于普通机床的进给传动/分度结构、一般机械的丝杠传动等。 图表2：滑动丝杠示意图 图表3：静压丝杠示意图 静压丝杠根据支撑流体不同分为液体静压丝杠与气体静压丝杠。液体静压丝杠的静压油膜位于静压螺母和精密丝杠之间，静压螺母和丝杠本身并不接触，因此没有磨损。其优点在于极低的摩擦力和极佳的减震性能，能够完全消除滚珠丝杠具有的震动和噪声，缺点则是装置较大，必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，且其静压油腔加工困难，过程存在环境污染问题。气体静压丝杠中，由于空气的可压缩性较强，气膜厚度要比油膜小，因此定位精度更高，但同时刚度和承载能力也降低。静压丝杠适用于要求进给传动系统具有较高的被动刚度与良好的减振性，以及十分看重定位精度和普适性的应用环境。机加工中常用到直线传动解决方案，但目前高端直线传动市场被一部分著名的直线电机制造商所占据，且制造成本较高，所以在精密高端机床上可以考虑使用静压丝杠作为替代方案。 滚动丝杠是通过在丝杠和螺母间添加以滚珠或滚珠为滚动体，使得原本的滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而降低磨损和发热，提高精度和传动效率。根据加入的滚动体不同可以分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。关于滚动丝杠在下文部分会进行细致介绍。 图表4：滚珠丝杠（下半）与行星滚柱丝杠（上半）结构对比图 1.2滚珠丝杠的结构、分类及选型 图表5：滚珠丝杠副示意图 图表6：滚珠丝杠副的组成 滚珠丝杠副主要由丝杠、滚珠和螺母组成，而其中螺母又是由螺母体、预压片、反向器、防尘器等多种部件组成。滚珠丝杠副可分为定位用（P型）及传动用（T型）两种，P型是用于精确定位且能根据转角度和导程间接测量轴向行程的滚珠丝杠副，这种滚珠丝杠副是无间隙的（或称预紧滚珠丝杠副）。T型是用于传递力的滚珠丝杠副，其轴向行程的测量由与滚珠丝杠副的旋转角度和导程无关的测量装置来完成。传动滚珠丝杠副精度低于定位型，通常采用7和10的标准公差等级。 对于丝杠，除螺纹滚道截面的形状有所不同外，各种类型的滚珠丝杠的结构基本相同。滚珠螺母的结构主要与滚珠循环的方式及预紧方式有关，且循环方式对滚珠螺旋传动的设计、制造、精度、寿命、成本及轴隙调整均有重要影响，与滚珠流畅性能更有直接关系。根据循环方式又可分为以下几种： 图表7：几种常用循环方式示意图 图表8：滚珠丝杠副不同循环方式比较 内、外循环方式各有其优缺点及适用场景，而在数控机床领域适用内循环居多。内循环滚珠丝杠螺母外径小、反向通道短，使得其外形尺寸可以做到更小，适用于安装空间比较紧凑的需求场景，同时，其反向器固定牢靠、刚性好，滚珠数目少流畅性好，都使得内循环滚珠丝杠的摩擦损失小且传动效率高，广泛应用于各种高灵敏、高精度高刚度的进给定位系统，也是目前数控机床最常用的丝杠类型。外循环滚珠丝杠的抗冲击能力强于内循环，其丝杠轴直径无特殊要求，且不常使用塑料反向器，这些特性使得外循环在大型丝杠、高负载丝杠以及工作温度环境较差的情况有着更优的表现。 图表9：滚珠丝杠选型所需参数 滚珠丝杠的主要性能参数包括精度等级、轴向间距、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等，其中精度等级是选型过程中最重要的因素。丝杠产品多为定制化，各种尺寸参数差别较大，通过丝杠选型的过程可以得到与使用对象及工作条件之间最匹配的丝杠产品。滚珠丝杠选型过程一般为1）设定螺距2）计算基本动额定负载3）容许屈曲载荷与危险速度4）精度设计5）确定滚珠丝杠与丝杠支座组件的选型结果。 国内精度等级一般分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10七个等级，1级最高，10级最低，2级/4级不优先采用。滚珠丝杠的制造成本主要取决于制造精度和长径比，精度越高、长径比越大，工艺难度越大，成本良率越低。所以精度越高的滚珠丝杠价值量越高，同时也适用于定位精度更高的场合。精度等级的标准由相同有效行程内的行程变动量决定，不同地区标准有所差异，日本、韩国以及中国台湾省采用的是JIS等级，为C0、 C1 、C2、C3、 C5 、C7、C10；欧洲地区的国家采用的标准则是IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10。一般来说，普通机械采用C10、C7级，数控设备一般采用 C5 、C3级（ C5 较多，国内大部分数控机床都是 C5 级），航空制造设备、精密投影及三坐标测量设备等，一般采用C3以上精度。另外，C10、C7级一般采用轧制方法制造，而 C5 级及以上采用研磨方法制造。具体我国精度标准与日本JIS标准差别如下： 图表10：精度等级与任意300mm行程内行程变动量V之间的对应关系 1.3滚珠丝杠产业链上下游 图表11：滚珠丝杠产业链 滚珠丝杠产业链上游主要是制造滚珠丝杠副的原材料和零部件产业。上游原材料最主要是制作丝杠的合金结构钢，以及制作螺母、滚珠的掺铬钢等。钢铁行业作为我国国民经济发展的支柱产业，涉及面广，产业关联度高，向上延伸至铁矿石、焦炭、有色金属等行业，向下延伸至房地产、汽车、船舶、家电、机械、铁路等行业。近年来，钢铁行业的原料供应充足，下游需求持续增长，其最终产品的产量逐年增加。根据国家统计局公布数据，2022年我国粗钢产量101795.9万吨，同比-1.67%，主要系国家粗钢压减政策实施效果，但终端产品钢材产量为134033.50万吨，同比+0.27%。 滚珠丝杠产业链下游，由于其传动能力是诸多机械设备不可或缺的元件，广泛应用于机床、航空航天、汽车、冶金、工业机械、医疗等领域。目前下游最主要的应用场景为机床行业和注塑机，约占59%的市场份额，通常和导轨配套采购使用，对于精度要求最高且价值量最大；一般工业自动化行业的机器人精度要求较低，人型机器人的发展趋势一定程度上提高了对于丝杠的精度要求，现阶段设计规划采用行星滚柱丝杠居多；汽车行业主要是新能源汽车转向器上需要丝杠来实现转向，单价较为便宜但整体市场需求量大。 1.4未来技术发展趋势：行星滚柱丝杠 行星滚柱丝杠其实并不是新兴的产品，回溯其历史，1942年瑞典人Carl BrunoStrandgren首次申请了循环式行星滚柱丝杠专利，1954年又申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠专利。1970年，瑞士Rollvis和瑞典SKF同时开始研制行星滚柱丝杠。1986年William J.Roantree发明了差动式行星滚柱丝杠，之后Oliver Saari发明了轴承环式行星滚柱丝杠。 行星滚柱丝杠是将旋转运动转化为直线运动，传动单元为丝杠及螺母之间的滚柱，与滚珠丝杠的主要区别是负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠。 区别于滚珠丝杠： 1）行星滚柱丝杠由于高数量的接触点，能够承受更高的静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍； 2）大量的接触点和接触点的几何结构使行星丝杠比滚珠丝杠具有更强的刚度和抗冲击能力，同时也可以提供更高的转速及更大的加速度； 3）行星滚柱丝杠为螺纹传动，螺距设计范围更广，行星滚柱丝杠的导程可以设计的比滚珠丝杠更小。 总的来说，行星滚柱丝杠与滚珠丝杠结构近似，在将传力元件替换为螺纹滚柱之后，其在传动平稳性、负载能力、转速及加速度、寿命等性能方面更具备优势。 行星滚柱丝杠产品目前主要有五种形式：标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式。标准式行星滚柱丝杠是一种高精度大负载的设计，可以提供非常稳定的驱动扭矩，丝杠多应用于大负载，高速及高加速度应用；反向式行星滚柱丝杠，滚柱不沿丝杠进行轴向运动，其行程运动是在螺母的内螺纹，通过较小的导程实现更高的额定负载，从而降低驱动扭矩，使直接导向成为可能；循环式行星滚柱丝杠是循环滚柱设计，滚柱是导向在一个托架中，其运动方式由一套凸轮来控制，适用于高精度、中低速运行；差动式行星滚柱丝杠最大的特点是具备差动运动，可以获得比一般行星滚柱丝杠更小的导程，更适应高速重载的工作场合。 具体参数情况如下表： 图表12：行星滚柱丝杠常见类型技术参数 精度等级对于行星滚柱丝杠的标准与滚柱丝杠略有不同，主要分为G1、G3、G5、G9，前三个对应定位行星滚珠丝杠，G9则对应传动行星滚柱丝杠。 图表13：滚柱丝杠精度等级标准 全球滚柱丝杠市场未来十年预计成长至5.57亿美元，人形机器人或将注入成长新动力。从2018年到2022年，滚柱丝杠市场呈现出稳定的增长轨迹，复合年增长率为4.1%。市场主要受益于工业自动化程度的提高、精密机械需求的增长以及制造技术的创新等多种因素，这些因素推动了滚柱丝杠在制造业、航