汽车行业丝杠方法论：如何看待齿轮和轮毂轴承厂商在丝杠赛道的竞争优势？

如何看待齿轮和轮毂轴承厂商在丝杠赛道的竞争优势？ 投资评级：（）报告日期：推荐维持2024年07月30日 ◼分析师：林子健◼SAC编号：S1050523090001 投 资 要 点 行星滚柱丝杠是人形机器人优质细分赛道，国产替代前景广阔 以特斯拉Optimus为例，单台人形机器人需要14个行星滚柱丝杠，单价约2,000元/个，单台价值量在2.8万元以上。横向对比机器人其他部件，行星滚柱丝杠占人形机器人价值量较高，盈利能力位居前列。主要原因在于丝杠、螺母和滚柱的加工精度决定丝杠整体传动精度，高精度、传动效率、寿命要求使得行星滚柱丝杠的螺纹加工工艺壁垒极高，精密行星滚柱丝杠市场被国外所垄断，国产化率低。随着未来磨削、硬车等工艺趋于成熟，行星滚柱丝杠制造成本有进一步下探空间。 行星滚柱丝杠壁垒有三，分别在于设计、内螺纹加工和生产设备 壁垒一：行星滚柱丝杠副服役性能取决于其螺纹牙齿形及行星齿轮的设计，丝杠设计对厂商研发能力要求较高。行星滚柱丝杠副的传动性能与丝杠-滚柱、滚柱-螺母间啮合点位置及轴向间隙大小有关，而啮合点位置和轴向间隙大小取决于螺纹牙形。为加工出高精度、性能优越的行星滚柱丝杠副，需要根据啮合传动原理并考虑丝杠副啮合特性来设计出合理的螺纹副及齿轮副结构参数。 壁垒二：行星滚柱丝杠最大加工难点在于内螺纹，目前高精度内螺纹加工方式仍以磨削为主。在进行反向式行星滚柱丝杠螺母这种大长径比内螺纹磨削时，砂轮磨杆呈细长悬臂状态，极易发生由砂轮磨杆弱刚度特性引起的颤振问题，严重影响加工精度和加工效率。大螺旋角磨削工件十分困难，对厂商加工技术、磨床要求很高，并且需要在专用磨床上进行。 壁垒三：丝杠加工需要专用设备，国外磨床进口难度大、交付周期长。我国在高档数控机床行业面临“卡脖子”的难题，数控磨床核心部件主要包括数控系统、主轴、丝杆、线轨等，目前国内各核心部件技术距离国际水平存在一定差距。欧洲、日本是高端磨床主要产地，对中国采取出口限制措施。目前国产丝杠螺纹磨床精度已跟上，且设备价格较国外低很多，量产阶段国产设备可满足大规模磨床需求。 诚信、专业、稳健、高效 投 资 要 点 齿轮厂商的优势在于丝杠设计，轴承厂商优势在于内螺纹磨削 ➢从丝杠设计角度看：齿轮设计的底层逻辑和丝杠相同。齿轮传动的设计分齿形设计、齿轮设计、结构设计和系统设计。齿轮传动的核心在轮齿，轮齿有一定的形状或者是由特殊的曲面构成的，并且齿形设计的理论基础是啮合理论，这一点与丝杠基本相同。 ➢从内螺纹加工角度来看：轮毂轴承单元生产过程同样是将各个零部件加工集成的过程，其核心加工工艺与丝杠工艺类似。轮毂轴承中钢球的加工质量对轴承振动影响最明显，其次是套圈的加工质量，最主要影响因素是钢球和套圈的圆度、波纹度、表面粗糙度、表面磕碰伤等，轮毂轴承单元零部件质量要求高。轮毂轴承单元的滚珠、内圈、外圈、轴轮与丝杠、螺母所采用的车、磨加工工艺接近，精度和质量要求均较高。 ➢从设备角度来看：齿轮厂商和轴承厂商均有车、铣、磨等工艺加工设备丰富使用经验。设备采购方面主要依靠厂商各自渠道，内螺纹磨床是专用磨床，外采设备现阶段以二手海外设备以及国产设备为主。 投资机会 汽车和人形机器人产业链重叠部分较大，我们持续看好汽车行业，维持“推荐”投资评级。伴随着人形机器人产品趋于成熟，叠加端到端AI大模型赋能，人形机器人将成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”，行星滚柱丝杠作为“执行侧”的关键部件，凭借“高技术壁垒&国产替代趋势显著&降本路径清晰”，将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。轴承赛道相关标的包括：双林股份、五洲新春、斯菱股份；齿轮赛道建议关注标的包括：夏厦精密、丰立智能，以及北特科技、贝斯特、新剑传动等精密加工能力较强的厂商。 风 险 提 示 机器人市场风险 机器人量产进度不及预期 原材料价格风险 丝杠原材料多采用高碳铬轴承钢，原材料价格上升会导致丝杠成本上升 投产进度不及预期 各个公司丝杠产能布局投产进度可能不及预期 地缘政治风险丝杠属于高精密产品，生产设备需要高精度螺纹磨床，国内螺纹磨床的进口可能受到外国政策限 制 01从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.1丝杠、螺母和滚柱是行星滚柱丝杠传动机构的主要部件 行星滚柱丝杠是人形机器人线性关节模组核心部件 行星滚柱丝杠(PRSM)是一种可将旋转运动和直线运动相互转化的机械传动装置，具有螺纹传动和滚动螺旋传动的综合特征。行星滚柱丝杠中的滚动体是含有螺纹的多个滚柱体。螺母或丝杠旋转运动通过滚柱的行星运动转换为直线运动。行星滚柱丝杠传动中特有的滚柱结构，使得滚柱与螺母(或滚柱与丝杠)之间无相对轴向位移，滚柱能够在丝杠和螺母形成的封闭空间内反复循环运动，依靠滚动/滑动摩擦实现运动和动力的传递。丝杠是线性关节中价值量占比最高的零部件。以特斯拉Optimus为代表，单个机器人丝杠数量：2*7=14个，目前Rollvis单个行星滚柱丝杠价格较高，约2000元/个，单个机器人丝杠价值量为14*0.2=2.8万元。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.1、丝杠、螺母和滚柱是行星滚柱丝杠传动机构的主要部件 丝杠、螺母和滚柱加工工艺决定行星滚柱丝杠精度 精度是衡量行星滚柱丝杠的核心指标，丝杠、螺母和滚柱的螺距及同轴度误差是影响丝杠精度关键因素。所有误差因素与行程误差均为正相关，其敏感性指数从大到小依次为：丝杠螺距（2.8570）、滚柱螺距（1.0000）、螺母螺距（1.0000）、丝杠螺纹同轴度（0.9800）、螺母螺纹同轴度（0.4750）、滚柱螺纹同轴度（0.0585），滚柱同轴度敏感性指数小于0.1，可以忽略不计。丝杠、螺母和滚柱的加工精度决定丝杠整体传动精度，从加工角度出发，这三个部件是行星滚柱丝杠主要工艺壁垒所在。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.2、行星滚柱丝杠核心壁垒一：丝杠设计 滚柱丝杠设计难度大，需要丰富经验积累 行星滚柱丝杠设计流程繁琐，需要逐步改进行星滚柱丝杠副服役性能取决于其螺纹牙齿形及行星齿轮的设计。行星滚柱丝杠副的传动性能与丝杠-滚柱、滚柱-螺母间啮合点位置及轴向间隙大小有关，而啮合点位置和轴向间隙大小取决于螺纹牙形。为加工出高精度、性能优越的行星滚柱丝杠副，需要根据啮合传动原理并考虑丝杠副啮合特性来设计出合理的螺纹副及齿轮副结构参数。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.3、行星滚柱丝杠核心壁垒二：螺纹加工工艺 外螺纹现阶段加工工艺包括硬车、磨削、滚轧、旋铣 外螺纹加工工艺对比外螺纹加工工艺主要为硬车、磨削、滚轧、旋铣，其中磨削精度高，滚扎效率高，硬车和硬旋铣较均衡。行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，故优化螺纹的加工技术是提升PRS整体性能的关键。PRS螺纹制造工艺方法主要为成型加工，例如目前应用于丝杠副螺纹制造技术主要有硬车、磨削、滚轧成型和旋风铣削技术。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.3、行星滚柱丝杠核心壁垒二：螺纹加工工艺 磨削是内螺纹目前唯一行之有效的加工方式 内螺纹加工难度大，目前高精度内螺纹加工方式仍以磨削为主，磨削工艺效率低，精度高，对磨床设备要求高。未来看好内螺纹加工工艺看好铣削，铣削加工效率较高，设备要求较低，但若加工深度较长效率会下降。内螺纹加工工艺对比 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.4、行星滚柱丝杠核心壁垒三：磨床等先进加工设备 国内高端磨床面临“卡脖子”问题，国外进口难度大 我国在高档数控机床行业面临“卡脖子”的难题。数控磨床核心部件主要包括数控系统、主轴、丝杆、线轨等，目前国内各核心部件技术距离国际水平存在一定差距，国内机床厂商为提高机床精度和稳定性，提高产品竞争力，核心部件以国际品牌为主，国产化率较低，对国际品牌部件依存度较高，特别是高档数控机床配套的数控系统基本为发那科、西门子等境外厂商所垄断。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.4、行星滚柱丝杠核心壁垒三：磨床等先进加工设备 欧洲、日本是高端磨床主要产地，对中国采取出口限制措施。2023年4月DMG的每台机床都配备RMS（机床搬迁安保）装置，出售给中国的所有机床都需要增加位置传感器，日本发那科高端五轴数控系统对华禁售。数控系统是螺纹磨床提高精度的关键，但目前高档数控机床配套的数控系统由发那科、西门子等境外厂商所垄断。采用国外数控系统前提下，国产磨床加工精度已达P1及以上精度。 ➢上海机床厂SK7420型数控丝杠磨床：可磨削P1级甚至更高精度的滚珠丝杠。适合于磨削三角螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹、圆弧滚珠丝杠以及其他螺纹齿形的外螺纹，可实现P1级精度滚珠丝杠的磨削。统采用西门子840D控制系统，可控制六轴三联动。 ➢汉江机床SK7405数控丝杠磨床：可磨削P2精度丝杠，采用西门子828D数控系统，实现三轴二联动，配置螺纹自动对刀装置，满足批量加工要求；配置金刚滚轮修整器，实现砂轮自动成型修整。可采用多线或单线磨削技术，实现丝杠高效磨削同时可实现丝杠高精密磨削。汉江机床SK7405数控丝杠磨床参数上海机床厂SK7420型数控丝杠磨床参数 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.5、丝杠、螺母和滚柱加工流程拆解丝杠加工工艺流程繁琐 丝杠加工工艺流程一般来说，精度要求越高，时效处理次数越多，加工过程越繁琐。硬度要求高的丝杠（HRC56以上）必须进行淬火处理，淬火可以有效地保证丝杠的机械性能、硬度和稳定性。淬火工艺的丝杠需要多次回火以及冰冷处理以消除应力。预备热处理阶段选择调质处理，主要是淬火和高温回火，校直时应注意避免反复压校。丝杠受到粗车的影响会产生较大的应力集中，因此需通过高温失效来去除内应力，且丝杠经过高温处理后，需检测其圆跳动，若圆跳动不符合标准，应重新校直和时效处理。丝杠通过磨削加工后会产生应力甚至表面产生裂纹，因此需对丝杠进行低温时效处理。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.5、丝杠、螺母和滚柱加工流程拆解 螺母加工难度最大 螺母结构尺寸小且内部空间非常有限，加工难度大大提高。最常用的滚珠螺母内轨道的法截形为双圆弧，工艺路线为：下料→锻造成型→粗车外圆→外圆磨削→钻孔→车90°的Ｖ型螺旋槽→内轨道渗碳或高频淬火→磨削内轨道。在生产过程中由于车削后磨削余量大，易产生干涉。加工螺纹时，一般需要经过几次切削才能达到加工要求，此时要注意每次切削时进刀点要一致，即每次要保证从螺纹螺旋线的起点切入，否则就会损坏已切好的螺纹沟槽，造成通常所说的乱扣现象。在内滚道的螺纹车削粗加工和磨削精加工过程之间存在着一个二次装夹的问题，当工件因为热处理或精磨等工序安排进行二次装夹后，便不能再以上次加工时的刀具位置作为加工基准。所以为了避免“乱扣”导致的螺纹失效，有必要针对螺纹沟槽进行对刀操作，对刀是工件加工中的最重要的操作内容，其准确性决定了零件的加工精度，同时对刀效率还直接影响数控加工效率。 1.从设计、内螺纹加工和生产设备，看行星滚柱丝杠的核心壁垒 1.5、丝杠、螺母和滚柱加工流程拆解 滚柱加工流程与丝杠相似 滚柱与丝杠加工工艺类似，但后半部分有直齿需要滚刀加工。与滚珠丝杠传动相比，其滚动体是含有螺纹的多个滚柱体而非滚珠，滚柱是具有相同牙型角的单头螺纹，其牙型轮廓通常加工成球面，目的是提高承载能力、降低摩擦、提高效率。相较于滚珠丝杠滚，珠丝杠具有更大的接触面积，滚柱丝杠的寿命提高了十倍，载荷可提高三至五倍，相同载荷下体积可缩小1/3，更加适用于人形机器人未来泛化的应用场景。直齿是滚柱体上特有的构造。目前国内较常