丝杠导轨行业深度：旋风铣工艺渗透率提升，建议关注磨床&铣刀等环节

证券研究报告 丝杠导轨行业深度：旋风铣工艺 渗透率提升，建议关注磨床&铣刀等环节 证券分析师：周尔双 执业证书编号：S0600515110002 zhouersh@dwzq.com.cn 证券分析师：罗悦 执业证书编号：S0600522090004luoyue@dwzq.com.cn 2023年11月13日 1 核心观点： 投资要点： 旋风铣工艺兼顾效率&精度，为丝杠加工未来趋势： 丝杠导轨为自动化核心传动部件，若按加工方式来分，可分为纯磨制、轧制和旋风铣三种工艺，从加工特点来看：�纯磨制工艺：优点在于纯磨制丝杠可以加工异形丝杠；缺点在于工序长效率低，且热处理过程中容易产生形变。②轧制工艺：优点 在于加工效率最高，缺点在于加工精度低。③旋风铣工艺：优点在于兼顾加工精度和效率，但缺点在于无法加工部分异形丝杠。综合而言，各种加工方案各有所长，但旋风铣兼顾效率&精度，预计未来渗透率会逐步提升。此外在行星滚柱丝杠的加工过程中，旋风铣的加工效率也远高于磨制工艺，潜力较大。 加工设备：螺纹磨床&旋风铣床为丝杠加工核心装备 螺纹磨床：尽管丝杠前道加工方案不尽相同，但若要保障丝杠的高精度，对螺纹滚道和轴颈的精细磨削是最关键的环节，此时便需要使用高精度螺纹磨床配合加工。根据我们测算，中性假设下，至2030年人形机器人产量若达到100万台，则行星滚柱丝杠用磨床存量市场空间可达50亿元，远期空间广阔。 旋风铣床：旋风铣床是旋风铣工艺的核心加工设备，主要是用装在高速旋转刀盘上的硬质合金成型刀，从工件上铣削出螺纹 滚道。目前旋风铣床外资领先程度较高，龙头厂商包括德国Leistritz公司、GWT等，国内尚无非常优秀的旋风铣加工厂商。 加工刀具：PCBN铣刀为丝杠加工核心耗材 PCBN刀具为旋风铣加工合适刀具，主要系旋风铣为硬加工工艺，对刀具的硬度和耐磨性有较高要求。国内超硬刀具行业市场规模约50亿元，目前仍主要被外资龙头例如山特维克等垄断，国产龙头厂商例如沃尔德、郑州钻石等正逐步向上突破。人形机器人催生大量丝杠需求，PCBN铣刀作为核心耗材同样受益。根据我们测算，中性假设下，至2030年人形机器人产量 若达到100万台，假设主丝杠和行星滚子均使用旋风铣工艺加工，则行星滚柱丝杠用铣刀每年消耗量可达19亿元。 投资建议：丝杠加工设备环节重点推荐【华辰装备】【秦川机床】；建议关注【日发精机】【浙海德曼】。丝杠加工刀具环节建议关注【沃尔德】【国机精工】。 风险提示：人形机器人产业化进程不及预期，行业竞争加剧风险，核心零部件加工方案变更风险。 目录 一、旋风铣工艺兼顾效率&精度，为丝杠加工未来趋势 二、加工设备：螺纹磨床&旋风铣床为丝杠加工核心装备三、加工刀具：PCBN铣刀为丝杠加工核心耗材 四、投资建议&风险提示 滚珠丝杠是将旋转运动转换成线性运动的理想传动装置，主要由丝杠轴、螺母、滚珠以及循环部件组成。丝杠轴、螺母和端盖上都制有圆弧形螺旋槽，将它们套装在一起时，这些槽对合起来就形成了螺旋通道，滚珠能够在通道内循环滚动。当丝杠相对于螺母旋转时，滚珠在 滚道内自转，同时又在封闭的滚道内循环运动，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。 按加工方式来看，丝杠加工可以分为纯磨制工艺、轧制工艺和旋风铣工艺，目前旋风铣工艺 渗透率正逐步提升。 图：滚珠丝杠分类及优缺点 资料来源：金属加工公众号，东吴证券研究所 纯磨制工艺主要加工步骤如下： （1）螺纹滚道车削+淬火：首先从一个圆钢的毛坯件（没有任何预处理），靠车床将丝杠上的滚 道慢慢地车削出来。滚道车削完后进行淬火，因为后续对滚道的磨削需要丝杠具有一定的硬度。 （2）粗磨+精磨：淬火完硬度合格之后，下一道工序是进行粗磨，把滚道的外圆和内壁进行第一次粗打磨。粗磨完要进行时效处理（去掉热处理和机加工产生的应力），时效完成后再进行半精磨和精磨，最后制成一个丝杠。 纯磨制工艺的特点在于：能满足绝大多数种类丝杠的加工要求，但加工周期长，效率低。 图：纯磨制工艺制作丝杠的加工步骤图 用车床在丝杠上慢慢车削出滚道。 硬度合格后进行粗磨，把滚道外圆和内壁进行第一次粗打磨。 时效完成后再进行半精磨和精磨 车削 粗磨 精磨 圆钢毛坯件 淬火 时效处理 丝杠成品 提高硬度，满足后续对滚道磨削的硬度要求 去掉热处理和机加工产生的应力 轧制工艺主要加工步骤如下： 使用轧制机将一根未经过热处理的金属圆棒在一组模具中挤压，从而轧制出螺纹滚道，后续再进 行热处理。 轧制工艺一般针对低精度等级丝杠： 一般而言，C5级别以上的丝杠都需经过磨制，而轧制丝杠的精度通常为C7/C10。但从效率来看， 轧制工艺制作丝杠的效率远高于磨制工艺。 图：轧制丝杠加工示意图 资料来源：金属加工公众号，东吴证券研究所 图：磨制丝杠加工示意图 资料来源：金属加工公众号，东吴证券研究所 旋风铣工艺主要加工步骤如下： （1）预先热处理：对金属圆棒进行淬火和简单的外圆磨削，来保证丝杠表面的硬度、尺寸和公差 （2）旋风铣加工滚道：直接用旋风铣将丝杠上的螺纹滚道铣削出来，此时丝杠的精度已经达到C4-C5级别。 （3）定制切割：按照客户的要求，对丝杠的进行切割，对于精度要求不高的丝杠，加工至这一步已经完成。 （4）磨床精磨：对于精度要求高的丝杠，需要用磨床对滚道进行最后精磨，此时精度会从C4-C5提升至C1-C2。 旋风铣工艺兼顾效率和精度，是丝杠加工的未来趋势： 相较于磨制工艺，旋风铣工艺加工步骤较少，且对于预处理完的丝杠可以进行存储，因此效率更高。而和轧制丝杠对比，旋风铣工艺也能够制作C1-C2精度级别的丝杠，加工精度更高。 图：旋风铣加工丝杠示意图 资料来源：金属加工公众号，东吴证券研究所 加工方案 优点 缺点 适用场景 纯磨制工艺 1、加工精度高2、能够加工绝大多数品类的丝杠 1、加工效率低，有30余道步骤2、先刻画出滚道再热处理，容易产生形变3、磨削进给量过大容易带来滚道退火问题 异形丝杠和定制丝杠 轧制工艺 效率高 只能加工低精度丝杠 低精度丝杠 旋风铣工艺 兼顾加工效率和精度 淬完火进行旋铣的特棒一定要是标准的圆柱形，因此旋风铣无法加工异形丝杠 非异形丝杠 各有所长，旋风铣综合效果更佳，预计后续渗透率会持续提升： �纯磨制工艺：缺点在于效率很低，30多道工序；而且是先刻画出滚道，再进行热处理，很容易产生形变，需要再进行一道粗磨；此外粗磨螺纹过程中，由于进给量较大，经常会出现由于切削温度高而使螺纹滚道退火，从而降低表面硬度的问题。优点在于因为是用车再磨的工艺，可以加工一些异形丝杠。 ②轧制工艺：缺点在于精度比较低，但优点在于加工效率很高，一般用于低精度的丝杠。 ③旋风铣工艺：缺点在于淬火完的用于旋风铣的铁棒，一定要是标准的圆柱形，因此一些异形丝杠没法使用。 图：丝杠加工方案优劣势对比： 相较于普通的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠加工整体难度更高，主要体现在： （1）主丝杠为多头螺纹，加工难度更高：行星滚柱丝杠为达到更大的承载力，通常选用牙型角为90°的多头螺纹，相较于单头螺纹，若采用纯磨制工艺其加工量会大大增加，因此旋风铣仍是行星滚柱丝杠的高效加工方案。 （2）多头螺纹旋风铣刀为多刀头结构，加工难度更高：滚柱丝杠旋铣时，一个刀盘只能够旋铣一个沟道，但行星滚柱丝杠为多头结构，为提高效率需要一次旋铣多个滚道，因此铣刀形状需要改变为锯齿形。此外由于多头螺纹螺距更短，因此铣刀刀头需要十分尖锐，容易产生磨损和崩坏。 图：多头螺纹和单头螺纹对比： 单头螺纹多头螺纹 相较于普通的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠加工整体难度更高，主要体现在： （1）反向式行星滚柱丝杠螺母细而长，加工过程中容易发生碰撞干涉：通常加工螺母里面的内螺纹滚道时，厂商采用砂轮中间穿一根杆子的办法，通过杆子的弯折，把砂轮送进去磨削螺旋沟道。然而反向式行星滚柱丝杠的螺母较长，杆子容易和螺母出现碰撞干涉。 （2）新工艺方案包括干涉磨削、软轴磨和内螺纹旋风铣：目前国内外针对螺母内螺纹加工，有三种可行方法。第一种为干涉磨削法，即设计特殊的砂轮顶着碰撞加工，但这种方法效率低下且有规格限制；第二种为软轴磨，即仍采用砂轮中穿杆子的办法，杆子与螺母平行，ongoing调整砂轮 和杆子的角度进行磨削；第三种为内螺纹旋风铣，目前系德国的主流加工方案，国内尚未突破。 图：行星滚柱丝杠螺母内螺纹加工示意图： 杆子 砂轮 相较于普通的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠加工整体难度更高，主要体现在： （1）行星滚子目前仍无高效加工方法，加工时间长：滚珠丝杠中的滚珠为标准品，厂商一般直接外采；但行星滚柱丝杠中的行星滚子为非标品，结构复杂，通常为厂商自制，且一根行星滚柱丝杠通常会搭配8-10根行星滚子，加工量十分庞大。 （2）行星滚子两端有渐开线花键齿结构，加工难度大：目前国内行星滚子加工方案多为磨制工艺 ，主要系行星滚子两端有渐开线花键齿结构。若使用旋风铣工艺在旋铣完滚道后，还需要对两端 进行退火处理（降低硬度），再加工渐开线花键齿；但若使用磨制工艺，磨削量又会非常大，加工效率无法得到保障。 图：行星滚子两端有渐开线花键齿结构，加工难度高 降本增效需求下，旋风铣加工行星滚柱丝杠潜力大： 目前国内厂商仍无法使用旋风铣高效加工行星滚柱丝杠的行星滚子和螺母： （1）行星滚子：若使用旋风铣工艺在旋铣完滚道后，还需要对两端进行退火处理（降低硬度），再加工渐开线花键齿，效率较低。 （2）螺母：国内尚未突破内螺纹旋风铣工艺。 但从降本增效的角度来看，目前行星滚柱丝杠无法规模量产是限制其未来大规模降本应用的重要原因，而从加工效率的角度来看，旋风铣加工远远高于纯磨制工艺，因此我们认为未来旋风铣加工的潜力较大。 目录 一、旋风铣工艺兼顾效率&精度，为丝杠加工未来趋势 二、加工设备：螺纹磨床&旋风铣床为丝杠加工核心装备三、加工刀具：PCBN铣刀为丝杠加工核心耗材 四、投资建议&风险提示 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床： 磨床主要使用高速旋转的砂轮及砂带等磨具研磨工件的多余量，以获取所需形状、尺寸及加工面。按照工艺的不同，磨床可主要分为外圆磨床、内圆磨床、无心磨床、平面磨床、轧辊磨床及其它专用磨床等。按照加工对象的不同，磨床则可分为螺纹磨床、齿轮磨床、叶片磨床等。 图：按照工艺不同，磨床可主要分为外圆磨床、内圆磨床、无心磨床及平面磨床等 磨床种类 主要用途 加工示意图 加工原理 外圆磨床 磨削加工工件外表面 利用工件两端的顶尖孔，把工件支承在磨床的头架及尾座之间，磨削时工件在主轴带动下作旋转运动，砂轮作横向进给 内圆磨床 磨削加工工件的内表面或内孔，准确去除工件内表面上的材料 工作时工件固定不动,砂轮除绕本身轴线高速旋转外还绕被加工孔的轴线回转，以实现圆周进给 无心磨床 多用于大量生产，易于实现自动化 由磨削砂轮、调整轮和工作支架构成，其中磨削砂轮担任磨削工作，调整轮控制工件旋转，工作支架在磨削时支撑工件 平面磨床 磨削工件平面或成型表面 主要用砂轮旋转研磨工件以使其可到达要求的平整度，依据作业台形状可分为矩形作业台和圆形作业台两种 各种工艺方案下，若要保障丝杠精度，高精度螺纹磨床不可或缺： 前述丝杠加工方案中，尽管前道工序不尽相同，但若要保障丝杠的高精度，对螺纹滚道和轴颈的精细磨削是最关键的环节，此时便需要使用高精度螺纹磨床配合加工。 目前国内外磨床水平仍相差较大： 进口磨床不仅精度高，同时能够做到可靠性好，保障批量加工的稳定性。国产磨床可以满足C3-C4精度的中端丝杠加工,但批量加工高端丝杠（C0-C2）时，出品不稳定。 图：国内外主流磨床企业情况 远期来看，人形机器人若迅速放量有望催生大量丝杠需求，因此高精度磨床作为关键生产设备同样受益。根据我们测算，中性假设下，至2030年人形机器人行星滚柱丝杠用磨床市场空间可达50亿元，远期空间