机器人新技术专题（三）：冷锻工艺极限精度C3，兼具高效率低成本优势

冷锻工艺是制作行星滚柱丝杠螺纹的主流路线之一，应用场景与车铣磨工艺重合度较高。螺纹加工方法最广泛使用的 是滚压法（锻压的一种，含搓丝和滚丝）和切削法（含车削、铣削、磨削等）。两类具体用于加工螺纹的方法是（1）车铣磨，指对粗坯件进行热加工后，先用车削和铣削进行粗加工，后续余量精加工由磨削完成，以实现高精度；（2）冷锻+磨削，指先采用冷轧技术直接将粗坯件加工至一定精度，后续余量精加工由磨削完成。 冷锻精度随设备、模具和材料提升，目前极限精度C3。据宝飞螺官网2020年发布文章显示，滚压工艺可以保证C5精度的滚珠丝杠生产，使用特别匀质的材料可以生产C3精度的滚珠丝杠。目前已开始有冷锻行星滚柱专利和论文发布，学界业界均在积极推进冷锻行星滚柱丝杠工艺落地。 冷锻成本预计比车铣磨低50%+,主要受益于加工速度提升。冷锻工艺的综合成本在理想情况下比车铣磨低约58%。据测算，车铣磨的设备折旧成本+材料成本约1460元/根，冷锻工艺约616元/根。主要差异来自于加工效率上的不同， 冷锻加工效率是切削的2-10倍。 性能和成本的博弈，中短期车铣磨和冷锻工艺将并存。若机器人的行星滚柱丝杠精度要求为C5级，则采用冷锻工艺 （前段冷镦，中后段冷锻）最具备经济性；若机器人精度要求C3-C5，则需要看材料是否能做到较好的匀质性，材料满足情况的情况下选冷锻工艺（前段冷镦，中后段冷锻）；若机器人精度要求C3级以上，仍需要在后道叠加磨床工艺进一步提升精度。由于技术尚未成熟，在中短期技术成熟的车铣磨路线和新兴的冷锻路线会并存，最终路线选择由产业链各家公司的工艺积累、设备研发情况等因素共同决定。 人形机器人正在迈入快速的技术和成本迭代阶段，与“车铣+磨”工艺相比，“冷锻+磨”工艺具备高效率和低成本特性，冷锻精度上已能达到稳定的C5级，磨床使用可稳定实现人形机器人滚柱丝杠合格件的加工，是适合高效率批量生产滚柱丝杠的方法。建议关注制造、模具和设备：制造环节建议关注冷锻精密件供应商新坐标（具备模具设计加工、冷锻工艺研发、专用工装与设备设计等全产业链研发能力）；模具环节建议关注恒锋工具（布局多种冷挤压刀具，精密拉削刀具、花键量具等产品市占率第一）；设备环节包括搓丝机、滚丝机和滚压机，核心看点是滚压机国产化，建议关注思进智能（处国内冷成形装备行业的技术领先地位）。 技术路线不确定风险，人形机器人放量不及预期风险。 内容目录 一、量产前夕，产业链急需高一致性&性价比制造丝杠方案4 二、市场担心问题7 2.1极限精度？极限精度随设备、模具和材料提升，目前极限精度C37 2.2落地时间？实验室阶段，学界业界均在逐步推进冷锻行星滚柱丝杠9 2.3成本？冷锻成本预计比车铣磨低50%+,主要受益于加工速度提升10 三、性能和成本的博弈，不同情境下最适合采用的制作方法11 3.1丝杠加工工艺的性能&成本四象限图11 3.2冷锻是否会替代车铣磨工艺？11 四、投资建议12 五、风险提示13 图表目录 图表1：人形机器人发展情况4 图表2：丝杠是机器人木桶短板，当前设备瓶颈极大4 图表3：螺纹加工方法分类5 图表4：截至2021年行星滚柱丝杠专利分布5 图表5：螺纹滚柱通过模具一次性成型6 图表6：车铣磨工艺与冷锻工艺加工精度对比6 图表7：冷挤压内螺纹相比切削具备较多优势7 图表8：挤压技术的国外发展历史7 图表9：DINISO3408标准公差等级8 图表10：使用非常匀质的材料可以制作C3级别丝杠8 图表11：螺纹牙数和运行时间影响行星滚柱丝杠精度8 图表12：滚柱丝杠精度损失随表面粗糙度增加而增加8 图表13：丝杠精度损失率与材料硬度呈反向关系9 图表14：丝杠精度损失率与材料弹性模量呈反向关系9 图表15：行星滚柱丝杠专利申请图显示其还在成长期9 图表16：滚压行星滚柱丝杠制作流程10 图表17：滚压螺纹相比切削具有高效率低成本优势10 图表18：滚压螺纹效率较传统车削加工提高近十倍10 图表19：车铣磨工艺VS冷锻工艺成本对比测算10 图表20：丝杠加工工艺的性能&成本四象限图11 图表21：不同丝杠精度要求下，高性价比丝杠工艺的选择11 图表22：冷锻和车铣磨工艺对比11 图表23：同一个轴上成形螺纹和齿轮的加工工艺的比较12 图表24：行星滚柱丝杠专利技术区域分布12 图表25：主要专利权人排名12 存在确定性需求，人形机器人成长空间广阔。对人形机器人的需求持续存在，2023年供给侧变革推动人形机器人关注度提升。需求端，由于劳动力减少（惰性+人口老龄化），人工成本持续提高，叠加国家安全因素，人形机器人具备持续增长的确定性需求。供给端，生成式AI使具身智能具备落地可能性，产业链配套体系日渐完善，推动人形机器人打开增长空间。 图表1：人形机器人发展情况 来源：国金证券研究所 丝杠是最卡脖子环节，主要卡位在设备和工艺上。设备端，国内缺少高精度磨床设备，基本每家设备厂高精度磨床生产量不超过20台/年，且多被订购用于机床、航空航天丝杠等，日本高精度设备对中国有部分禁售。采购周期长，同时磨床生产效率慢，因此亟待寻求更高效和更经济性的技术路线。 图表2：丝杠是机器人木桶短板，当前设备瓶颈极大 来源：国金证券研究所 螺纹加工方法很多，其中最广泛使用的是滚压法（锻压的一种，含搓丝和滚丝）和切削法（含车削、铣削、磨削等）。两类具体用于加工螺纹的方法是：（1）车铣磨，指对粗坯件进行热加工后，先用车削和铣削进行粗加工，后续余量精 加工由磨削完成，以实现高精度；（2）冷锻+磨削，指先采用冷轧技术直接将粗坯件加工至一定精度，后续余量精加工由磨削完成。 图表3：螺纹加工方法分类 来源：王旭《行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究》，国金证券研究所 行星滚柱丝杠技术仍处于发展期，冷锻行星滚柱丝杠是新技术。根据《行星滚柱丝杠技术专利分析》、合享与德温特专利数据库，从专利申请趋势看，目前行星滚柱丝杠处于技术发展期。从专利申请看1988-2021年，专利申请量由多到少分为行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究、行星滚柱丝杠设计研究和行星滚柱丝杠综合性能测量方法三类，其中螺纹加工又以深孔内螺纹制造技术最多，其次是硬态车削工艺螺纹磨削用砂轮廓形修整及保持技术，再次是大长径比外螺纹制造技术和螺纹硬态车削工艺。 图表4：截至2021年行星滚柱丝杠专利分布 一级技 术 二级技术 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 1行星滚柱丝杠设计研究 1.1总体结构 设计 2 1 1 2 3 2 2 7 2 11 5 7 3 11 4 7 10 7 13 7 5 14 22 26 16 23 39 31 38 37 27 36 13 1.2啮合机理与接触特性研 究 1 5 1 1.3静刚度与 变形研究 1 1.4载荷分布与 均载方法研究 2 1 1 2 3 1.5摩擦机理与 传动效率研究 1 1 2行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究 2.1螺纹硬态 车削工艺研究 1 2 1 1 1 1 1 1 2.2螺纹磨削用砂轮廓形修整 及保持技术 1 2 1 1 1 1 1 3 3 4 4 2 8 2 2.3深孔内螺纹 制造技术研究 1 3 1 1 1 1 1 1 3 1 1 4 5 4 3 6 2 10 4 13 14 2.4大长径比外螺纹制造技术 研究 1 1 1 1 1 3 3 1 2 3行星滚柱丝杠综合性能测量方法 3.1内外螺纹 检测技术研究 1 2 3.2传动精度 测量试验研究 1 1 3 4 4 2 2 4 5 3 1 1 3 3.3刚度特性 试验研究 1 1 1 3 3 2 1 3.4传动效率 测量试验研究 1 1 1 1 1 7 4 3 11 5 5 来源：田青《行星滚柱丝杠技术专利分析》，国金证券研究所 切削是当前行星滚柱丝杠螺纹主流加工方式，但总体上并不一定具备最好的经济性。切削（含车削、铣削、磨削）属于材料去除加工，加工过程中金属纤维被切断，导致后续产品容易存在效率低（车削耗时是滚压的5-10倍）、原材料利用率低（车削材料利用率低于70%）、一致性差和寿命短等问题。因此2014年赵升吨和张大伟等采用滚压成形方法试制出螺纹滚柱。2017年段体清提出在一次轧制成形过程中同时生成螺纹部分和齿轮部分。 图表5：螺纹滚柱通过模具一次性成型 来源：《螺纹滚柱轧制工艺研究》，国金证券研究所 冷成型的行星滚柱丝兼备成本优势和质量优势。冷挤压是最好的材料净成形工艺之一，具备绿色环保、材料利用率高和强化材料等优点，采用冷挤压成形工艺加工的零件具有精度高、强度高和使用寿命长的优势，适用于大批量生产，可大幅降低生产成本和提高生产效率。 与车铣磨工艺相比，冷锻工艺加工的产品有更高的强度和表面质量。车铣磨工艺可以满足对零件尺寸精度和表面光洁度要求较高的应用领域，通常用于制造金属零件的加工。冷锻工艺可以提供更高的材料强度和表面质量，因此在一些对零件性能要求较高的领域得到广泛应用，通常用于生产高强度、高精度的金属零件。 图表6：车铣磨工艺与冷锻工艺加工精度对比 极限精度 加工精度 表面粗糙度 加工速度 车 0.1μ IT7~IT5 Ra0.04-0.01μm 快 铣 - IT16~IT8 Ra0.63-5μm 快 磨 好于0.01μ IT8~IT5甚至更高 好于Ra0.01μm 慢 车+铣+磨 好于0.01μ 较快 冷锻 - C5，极限下C3, 快 冷锻+磨 好于0.01μ - - 较快 来源：荷兰汉布雷格机床公司官网，《金属切削刀具与机床》，宝飞螺官网，调研资料，国金证券研究所 冷挤压内螺纹相比切削具备高强度、高精度、高光洁度、低耗材等优势。据《内螺纹冷挤压工艺的研究现状与发展趋势_陈鑫》，冷挤压内螺纹具备的优势包括（1）高强度：内螺纹冷挤压金属产生形变时，材料内部的晶粒发生滑移，晶格扭曲，金属纤维呈连续的流线型，组织结构紧密，使螺纹的强度大幅提升，抗拉强度提升20%以上，抗剪强度提升5%-10%，硬度提升40%以上。（2）高精度：使用冷挤压方式加工内螺纹，螺纹孔扩张量极小，内螺纹行位误差小，成形精度高，质量稳定。（3）高光洁度：挤压丝锥的挤压棱齿表面对内螺纹表面产生挤光作用，成形后的内螺纹表面光洁度极好，表面粗糙度可以达Ra0.4-0.8。（4）省耗材：加工过程中没有切屑产生，大幅提升材料的利用率。（5）适合深孔和盲孔加工：由于挤压过程中不需要清除切屑，从而避免了因排屑困难或切屑拥塞而导致的丝锥崩刃、折断。 图表7：冷挤压内螺纹相比切削具备较多优势 考核指标 冷挤压相比切削内螺纹优势 强度 提升。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 内螺纹精度 提升。螺纹孔扩张量极小，内螺纹行位误差小，成形精度高，质量稳定 表面质量 提升。挤压丝锥的挤压棱齿表面对内螺纹表面产生挤光作用，成形后的内螺纹表面光 洁度极好，表面粗糙度可以达Ra0.4-0.8 耗材 更省。加工过程中没有切屑产生，大幅提升材料的利用率 深孔和盲孔加工 更适合。由于挤压过程中不需要清除切屑，从而避免了因排屑困难或切屑拥塞而导致 的丝锥崩刃、折断 来源：陈鑫《内螺纹冷挤压工艺的研究现状与发展趋势》，国金证券研究所 2.1极限精度？极限精度随设备、模具和材料提升，目前极限精度C3 冷锻的精度主要受设备、材料和模具影响。螺纹滚压或螺纹旋锻专利最早于1831年由HazardKnowles提出，该专利使用平模制造木螺钉。在起步阶段被认为是一种粗糙的低精度工艺，仅限于制作木螺钉、马车螺栓、炉灶螺栓和其他低精度紧固件。这主要是模具制造精