梯形螺纹尺寸规格

报告出品方：东北证券

以下为报告原文节选

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1. 丝杠是实现旋转运动与直线运动相互转化的精密传动部件

丝杠是实现旋转运动与直线运动相互转化的传动机构，常见丝杠品类包括梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠，性能逐一提升。①梯形螺纹丝杠依靠滑动摩擦进行传动，价格低廉，但导程精度、传动效率等性能较差，一般用于工作要求低的场景，目前已基本实现国产替代；②滚珠丝杠由丝杆、滚珠、预压片、防尘器等部件构成，通过内置滚珠的滚动摩擦实现传动，具有传动精度/效率高等优势；③行星滚柱丝杠由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈、保持架等部件构成，通过滚柱与丝杠、螺母间的螺纹啮合来实现传动。由于各部件受力接触面积更大，因此其承载能力更强、工况适应性强，还具有体积小、寿命长等优势。

1.1. 滚珠丝杠通过滚珠实现传动，应用场景广泛

滚珠丝杠通过滚动摩擦实现传动，具有传动效率高、使用寿命长、工作精度高等优势，应用场景广泛。滚珠丝杠又称滚珠丝杠副、滚珠丝杆，由丝杆、滚珠、预压片、防尘器等零部件构成。滚珠丝杠通过滚动摩擦实现传动，具有传动效率高、工作精度高等优点，是智能自动化设备、数控机床等行业的关键传动、定位、执行元件。

但在工作过程中，滚珠会互相碰撞，并在末端急速转向，因此滚珠丝杠在高转速条件下面临传动效率降低、噪音大等问题，如何有效维持性能并减少体积、通过热处理工艺改进延长使用寿命是滚珠丝杠的重点发展趋势。

根据滚珠循环方式划分，滚珠丝杠可分为内循环/外循环式滚珠丝杠：

✓ 内循环式滚珠丝杠具有尺寸小、传动效率高、耐用等优点，但承载能力较低、加工步骤相对复杂。内循环采用反向器实现滚珠循环，滚珠始终与丝杠保持接触。在该结构下，螺母尺寸较小，反向器固定牢靠、刚性好且不易磨损，滚珠数目少且工作流畅性好，因此传动效率高。其缺点是不能做成多头螺纹的滚珠丝杠副，反向器的回珠槽是三坐标空间曲面，加工步骤较复杂。因此其适用于空间紧凑、承载能力小的场景。

✓ 外循环式滚珠丝杠具有承载能力大、制造工艺简单等优点，但面临尺寸大、噪音大等问题。外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环，滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触，具有结构简单、承载能力大、抗冲击能力强等优点。但由于滚道焊接处难以做到平滑，滚珠滚动平稳性相对更差，易发生卡珠现象。

根据加工工艺方式划分，滚珠丝杠可分为磨削/轧制型滚珠丝杠：

✓ 磨削工艺下，滚珠丝杠的精度高，可用于高精度设备的定位部件，但生产效率低、价格相对更高。磨削是按照基准统一原则，通过热处理、车削、磨削等超20 道工序对丝杠进行加工，制造精度可高至 P1 级，适合用于高精度设备的定位部件，但生产效率低。

✓ 轧制工艺下，滚珠丝杠的生产效率高、价格低，但精度低、寿命短，多用于承担传动职能。轧制是通过冷加工工艺模具制造丝杠，自动化程度高，批量生产后成本低、生产效率高，但制造精度相对较低，一般只能在设备中作传动部件。

1.2. 行星滚柱丝杠是性能最优异的丝杠品类

行星滚柱丝杠通过滚柱与丝杠、螺母间的螺纹啮合来传递动力。行星滚柱丝杠由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈、保持架等零部件构成。以标准式行星滚柱丝杠为例，其作用原理是：电机带动丝杠绕自身轴线转动，丝杠通过螺纹啮合使 6-12 个滚柱围绕丝杠进行行星运动，滚柱通过螺纹啮合推动螺母，与螺母一同沿轴线进行直线运动。

内齿圈固定于螺母上，用于确保滚柱与螺母一同轴向移动。

相较于梯形丝杠与滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具有高承载能力、高工况适应性、小体积、高精度、长寿命等优势，是综合性能最为优异的丝杠品种：

✓ 承载能力强：在传动过程中，行星滚柱丝杠各部件的受力接触面积为线接触，大于滚珠丝杠的点接触，因此承载能力更强，动载/静载显著高于滚珠丝杠。

✓ 高工况适应性：行星滚柱丝杠在恶劣工作环境下适应力强，其可适应的工作环境温度范围是滚珠丝杠的 2 倍。

✓ 体积小：在同载荷的情况下，行星滚柱丝杠的体积比滚珠丝杠小 1/3，更适用于空间狭小的应用场景。

✓ 使用寿命长：根据赫兹定律，行星滚柱丝杠使用寿命可达滚珠丝杠的 15 倍。

✓ 传动效率高：尽管传动效率低于滚珠丝杠，但在润滑良好的情况下仍可达到 90%。

✓ 精度高：行星滚柱丝杠的丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹，可通过调整螺纹头数等方式使导程达到微米级，实现精密微进给；而滚珠丝杠受滚珠直径限制，精度常为毫米级。

✓ 噪音低：行星滚珠丝杠的噪音来源于滚柱两端正时齿轮机构的啮合，频率高，噪音低。

行星滚柱丝杠的缺点主要在于其高制备难度及高售价。丝杠轴外螺纹与丝杠螺母的内螺纹均需精磨以实现超高精度与长寿命，其价格也显著高于滚珠丝杠。

相较于梯形丝杠与滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具有高承载能力、高工况适应性、小体积、高精度、长寿命等优势，是综合性能最为优异的丝杠品种：

✓ 承载能力强：在传动过程中，行星滚柱丝杠各部件的受力接触面积为线接触，大于滚珠丝杠的点接触，因此承载能力更强，动载/静载显著高于滚珠丝杠。

✓ 高工况适应性：行星滚柱丝杠在恶劣工作环境下适应力强，其可适应的工作环境温度范围是滚珠丝杠的 2 倍。

✓ 体积小：在同载荷的情况下，行星滚柱丝杠的体积比滚珠丝杠小 1/3，更适用于空间狭小的应用场景。

✓ 使用寿命长：根据赫兹定律，行星滚柱丝杠使用寿命可达滚珠丝杠的 15 倍。

✓ 传动效率高：尽管传动效率低于滚珠丝杠，但在润滑良好的情况下仍可达到 90%。

✓ 精度高：行星滚柱丝杠的丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹，可通过调整螺纹头数等方式使导程达到微米级，实现精密微进给；而滚珠丝杠受滚珠直径限制，精度常为毫米级。

✓ 噪音低：行星滚珠丝杠的噪音来源于滚柱两端正时齿轮机构的啮合，频率高，噪音低。

行星滚柱丝杠的缺点主要在于其高制备难度及高售价。丝杠轴外螺纹与丝杠螺母的内螺纹均需精磨以实现超高精度与长寿命，其价格也显著高于滚珠丝杠。

1.3. 梯形螺纹丝杠通过滑动摩擦实现传动

梯形螺纹丝杠依靠滑动摩擦实现传动，传动效率较低，应用于工作要求较低的场景。

梯形螺纹丝杠的螺旋形式是一种普通的等腰梯形，依靠滑动摩擦进行传动，因此其连续工作发热严重，传动效率约为 26%-46%，一般适用于大负载但工作要求很低的应用场合，目前已基本实现国产替代。

2. 高端丝杠制备壁垒高，国内外差距显著，潜在替代空间广

2.1. 高精度丝杠的壁垒主要集中于生产工艺、加工设备及原材料

丝杠对精度、强度、耐磨性、可靠性等方面有很高要求，主要制备壁垒包括加工工艺、设备、原材料等三方面。螺纹加工、热处理等为核心加工工序，需要深刻 knowhow积淀，具备相关技术积淀的企业更具优势；生产设备主要依赖进口且售价昂贵、交付期长，资金实力强、较早布局丝杠领域的企业将占得先机。

行星滚柱丝杠与滚珠丝杠存在类似的物理构造，二者的螺纹加工方式主要包括磨削加工、旋风铣削、车削、滚压成形等。目前海外巨头通过磨削与滚压成形进行加工，国内主要采用切削方式生产滚柱，采用磨削加工丝杠螺纹。而滚压成形具备较高的技术壁垒，目前全球范围内仅有少数海外厂商能够通过滚压成形实现行星滚柱丝杠的规模量产。

高精度、高一致性的螺纹的加工壁垒较高，依赖相关工作人员的技术经验。行星滚柱丝杠通过螺纹牙之间的啮合实现运动及载荷传递，并通过齿轮啮合实现滚柱正确装配，因此螺纹及齿轮的加工精度对其装配、传动及承载特性具备重要影响，而滚柱、丝杠、螺母上高精度、高一致性的螺纹存在较大的加工难度，依赖于仪器操作员与工程师的技术经验。

热处理对丝杠成品零件的制造质量、精度具有较大影响，需要深刻 knowhow 积淀。

主要分为预备热处理与最终热处理。预备热处理的作用是改善丝杠切削性能、消除残余应力、为最终热处理做准备，而最终热处理的作用是提高螺纹表面硬度及耐磨性。根据《循环式行星滚柱丝杠副的设计》，热处理后的 GCr15 高碳铬轴承钢的屈服强度提升 3-5 倍，硬度提升 2-3 倍，机械强度及刚度显著提升。热处理工艺需要深刻 knowhow 积淀，国内厂商近年来已取得一定进步，但在工艺参数选择等方面仍与海外有一定差距，导致丝杠的精度及可靠性落后于海外。

行星滚柱丝杠制备的核心设备包括高精度螺纹磨床等，依赖进口且造价昂贵、交付周期长，资金实力较强且布局较早的企业更具优势。行星滚柱丝杠已有成熟制备方案，核心设备包括旋风铣设备、螺纹磨床等，主要依赖进口且造价昂贵。旋风铣设备是一种用于加工大型螺纹的高效能精密专用设备，可加工淬硬钢等难以加工的材料。目前旋风铣床主要依赖国外引进，南京工艺于 2004 年首次引进德国公司的PW160 型 CNC 旋风硬铣机床，2009 年又引进其 PW300HP 型 1000mmCNC 旋风硬铣机床，可精铣出整体 800mm 以上的大型滚珠丝杠副。而汉江机床自主研发出HJO92 型旋风铣床，单次铣长度最大可达 800mm。而螺纹磨床用于加工行星滚柱丝杠的螺纹，对丝杠的精度有重要影响，目前主要依赖进口。由于相关生产设备售价高昂，且交付期较长，因此我们认为具备较强资金实力、在丝杠行业布局较早的公司或具备一定优势。

滚珠丝杠常采用 GCr15 高碳铬轴承钢作为原材料。滚珠丝杠在工作时承受复杂的交变载荷、交变应力的作用，易产生弯曲扭转组合变形，因此滚珠丝杠的滚道、轴颈必须具备高精度、高强度、高刚度、强耐磨性等良好的工程力学性能。滚珠丝杠通常采用 GCr15 高碳铬轴承钢作为材料，其在淬火加低温回火后具备硬度高、组织均匀、耐磨性强、解除疲劳强度高等优点，但同时也有塑性一般、切削性能中等、焊接性能差、回火脆性等缺点，因此需要在磨削滚珠丝杠粗加工前进行预先热处理，通过球化退火把 GCr15 材料中的碳化物球化，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物组织，降低材料组织硬度，提高材料塑性机能，改善材料金属切削机加工性能。

行星滚柱丝杠的丝杠/螺母与滚柱分别选取合金结构钢 50CrMo4/GCr15 高碳铬轴承钢作为原材料。在行星滚柱丝杠的运行过程中，丝杠螺母滚柱的螺纹滚道会受到连续、周期、频繁的振动及摩擦，导致丝杠工件由于工作温度升高而出现滚道磨损、热变形等失效形式，因此需要选取硬度高、耐磨性强、承载力强及温度适应性良好的材料，还需要考虑材料的切削性能及经济性。根据《航天精密传动机构行星滚柱丝杠的设计与研究》，丝杠常选用合金结构钢 50CrMo4，其强度和淬透性比 35 CrMo更好，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，高温情况下仍有高蠕变强度和持久强度；螺母和滚柱选取 GCr15 高碳铬轴承钢，其综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均较好。南京工艺行星滚柱丝杠副在淬火后的硬度可达 HRC58 以上，主要应用于伺服电动缸。

2.2. 国内在丝杠领域研究起步较晚，高端丝杠较海外差距显著

受益于学界持续研究、政策支持等因素，我国滚珠丝杠迅速发展，但高端产品仍较海外存在显著差距。滚珠丝杠起源于 19 世纪末，1940 年美国通用公司将其用于汽车方向盘转向机构后开始被广泛使用。1965 年滚珠丝杠在数控车床上的应用取得突破性进展，助力加快机械制造业的发展。滚珠丝杠的发展方向从“敏捷省能传动”向“高速度、高精度和高可靠性传动”演进。国内自 20 世纪 50 年代开展大量滚珠丝杠相关研究，于 1964 年自主研制出第一套滚珠丝杠副，在国内学界持续研究、有限元分析相关软件成熟、政策支持等因素推动下，我国滚珠丝杠迅速发展。当前我国中低档产品已接近持平海外同类竞品，而高端产品与海外巨头仍有显著差距。当前海外厂商可稳定生产 C1 级滚珠丝杠，而国内厂商可稳定生产 C2 级滚珠丝杠，尚无法稳定供应 C1 级产品。

历经超 80 年的研究历程，海外龙头构建了行星滚柱丝杠的全面理论体系与成熟产品矩阵。瑞典发明家 Carl Bruno Strandgren 于 1942 年申请行星滚柱丝杠的第一个发明专利，并于十多年后优化设计了带螺旋升角的滚柱丝杠，为海外学术界此后的大量相关研究奠定理论基础。William J. Roantree 和 Oliver Saari 分别在 1968 年和 1986年设计了差动式行星滚柱丝杠和轴承环型行星滚柱丝杠。1987 年，大冢次郎等对标准式的三大构件进行了运动学和轴向刚性分析。1996 年，美国 Lemor P 等推导出标准式的承载能力和传动效率等计算公式。当前行星滚柱丝杠理论研究主要集中于结构参数、啮合特性、运动学、承载特性、摩擦及效率等方向。目前，德国 Schaeffler、瑞士 Rollvis、瑞典 SKF、德国 INA、美国 Exlar、瑞士 GSA、英国 Power Jack、德国 LTK 等国外龙头均在行星滚柱丝杠的精度等级、润滑维护、应用平台等领域形成理论体系，积累大量生产应用经验，形成针对下游各行业的成熟产品系列，但由于技术封锁，行星滚柱丝杠的设计、制造、装配等关键技术尚未公开。

国内关于行星滚柱丝杠的研究起步较晚，国内企业尽管已实现小批量量产，但产品参数及品种均落后于海外，尚处于初级阶段。国内关于行星滚柱丝杠的研究起步于20 世纪 90 年代，学界从结构设计、运动分析、接触特性等方面进行相关研究并收获一定成果。目前的基础理论研究仍处于初步阶段，尚未形成系统理论成果，在传动效率、性能分析、试验研究等方面的研究相对不足，因此尽管如博特精工、优励聂夫、扬州众孚等公司均已实现行星滚柱丝杠的小批量生产，但在传动效率、承载能力、精度、寿命、尺寸、生产一致性等指标上落后于海外，产品品种及应用范围也显著小于国外。

中国大陆企业在滚珠丝杠中低端市场占据一定份额，但在高端市场的市占率仍较低。

根据金属加工公众号，中国台湾的上银、银泰在国内中低端滚珠丝杠市场占据主要份额，而力士乐、THK、NSK 等日德厂商基本垄断国内中高端滚珠丝杠市场。汉江机床、南京工艺等中国大陆企业在中低端市场占据一定份额，但在高端市场的市占率仅 5%，在加工制造水平、生产规模都显著落后于海外龙头。近年来，随着国产高端滚珠丝杠性能不断提升，叠加价格优势，高端滚珠丝杠国产替代进程持续推进。

国内滚柱丝杠市场仍由海外厂商主导，国内企业产品的应用场景相对有限。根据《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》，Rollvis 和 GSA 各占据国内滚柱丝杠市场 26%的份额，Ewellix 占据 14%的份额，而南京工艺、博特精工各占 8%的份额，且产品应用场景集中于军工行业。

近年来国内持续加大行星滚柱丝杠的相关研究，推动产学研积极合作。2009 年之前，每年全球行星滚柱丝杠的专利申请数量不超过 15 项，且多来源于日本、德国、瑞士等国，申请人主要包括德国舍弗勒、瑞典 SKF 等海外巨头；而 2010 年至今，专利申请数量迅速增长，其中我国专利申请量显著提升，覆盖领域涉及总体结构设计、丝杠及螺母螺纹的加工制造、传动精度及效率测量、刚度特性试验等。国内如博特精工、汉江机床等企业积极联合南京理工大学等高校进行产学研合作，加强基础理论研究。我们认为，随着国内企业不断收获行星滚柱丝杠的理论研究成果，理论体系与产品矩阵有望持续完善，并实现国产行星滚柱丝杠的规模量产。

3. 市场空间扩容，高端丝杠国产替代持续推进

3.1. 滚珠丝杠：机床丝杠国产替代及汽车智能化趋势方兴未艾

滚珠丝杠的主要应用场景是机床，汽车、机器人与生产线等领域也具备广阔应用空间。从产业链来看，滚珠丝杠的上游包括钢材等原材料及丝杠、螺母等零部件，而下游应用领域主要包括数控机床、航空航天、汽车等领域，其中机床是最主要的应用场景。随着制造业向数字化、智能化的转型升级，滚动功能部件在汽车、机器人与生产线领域等的应用也将逐步增加。

适用于不同应用场景的滚珠丝杠精度等级各不相同，机床精度要求最高，工业机器人、通用机械等领域的精度要求相对不高。根据南京工艺官网，数控机床的精度等级覆盖 P1-T10，以 P1-P5 为主，其中磨床与坐标镗床主要使用 P3 级以上的滚珠丝杠；半导体/印刷版制造设备的细分环节存在分化：曝光设备、引线焊接机、探测器所需精度等级在 P1-P2，而化学处理设备的精度等级相对较低；工业机器人、通用机械专用机械的精度等级集中在 P3-T10，精度等级相对不高；而冶金设备机械、电动注塑机、橡塑机械的精度等级相对较低。

3.1.1. 机床用滚珠丝杠市场空间稳步增长，高端丝杠国产替代进程提速

机床是国家装备制造业最重要的基础装备，国产机床高端化发展提速。作为高端装备“工业母机”，数控机床是国家装备制造业最重要的基础装备，其品质对各类装备的性能与精度有直接影响。2015 年以来，国产中高端数控机床发展提速，根据滚动功能部件用户调查分析报告，目前国内企业采用的中高端滚珠丝杠副部件的精度集中于 P1-P3 和 P3-P5，合计占比达 88.3%，印证了我国中高端数控机床装备水平正逐步提升。

受益于新能源、精密模具等新兴行业崛起，国内数控机床市场空间稳步增长。随着精密模具、新能源、航空航天、轨道交通、3D 打印、生物医药等高度依赖数控机床进行生产制造的新兴产业迅速崛起，数控机床空间稳步增长。根据前瞻产业研究院，预计2022/2026年我国数控机床市场空间分别为4024/5148亿元，2021-2026年CAGR达 6.7%。

机床作为“工业母机”受国家高度关注，出台相关政策支撑行业快速发展。机床作为“工业母机”，是智能制造装备的重要基础，其发展水平高低是我国从制造大国到制造强国转变的关键指标。当前，国家及各地方政府对智能装备、数控机床等产业都表现出高度的重视，制定并实施了一系列促进行业发展的法规及产业政策。

滚珠丝杠用于实现机床工作台、刀架的精密进给。在数控机床中，滚珠丝杠接受伺服电机驱动，从而实现机床工作台、刀架的横向、纵向精密进给，是保证其制造精度、系统刚性、加工精度保持性的最核心部件，也是军民两用高端装备的关键基础部件。机床的一套运行机构通常由两道滚动直线导轨与一根滚珠丝杠构成。尽管全球多数机床厂倾向于自产自制主轴、摆头等功能部件，但基本外采滚动功能部件。

受益于机床高端化发展，机床用滚珠丝杠市场空间持续增长。根据科德数控与纽威数控的招股说明书，2018-2020 年传动部件采购成本占营收的平均占比分别为 14.6%、11.5%、12.5%，随着机床高端化发展，对传动精度的要求逐步提升，假定 2021 年起每年占比提升 0.2%；通常滚珠丝杠在机床传动部件中的价值量占比 20%-30%，我们假定滚珠丝杠在传动部件中的价值量占比约为 25%，测算得 2022 年国内机床用滚珠丝杠市场规模约 61 亿元。

近年国内滚动功能部件产品性能稳步提升、进步显著，与海外差距或加速收窄。根据 2020 年第三届滚动功能部件用户调查分析报告，国产滚动功能部件的优势主要集中于价格及服务，性能优势从 2011 年的第 4 位升至第 3 位，且 82.7%的被调查下游用户认为国内中高端滚动功能部件进步较大/进步很大。

近年来国产滚珠丝杠副在中高端应用场景的使用比例显著提升，国产替代持续推进。

根据第二届/第三届滚动功能部件用户调查分析报告，2020 年采用中高端国产滚珠丝杠副的比例为 40%-59%的公司占比由 2011 年的 14 升至 34.3%，采用中高端进口滚珠丝杠副的比例为 80%-100%的公司占比由 2011 年的 52%降至 7.1%。我们认为随着国内滚动功能部件厂商持续研发，推动提升丝杠产品性能，国内厂商在高端滚珠丝杠领域的市占率或持续提升。

3.1.2. 汽车智能化趋势下，车用滚珠丝杠市场空间扩容

电子助力转向系统、电子驻车系统、线控制动系统等汽车零部件的渗透率提升或将抬升滚珠丝杠的应用规模。滚珠丝杠凭借高精度、传动效率高等优势，广泛应用于汽车各类传动系统中。随着汽车智能化发展，电子助力转向系统、电子驻车系统、线控制动系统等汽车零部件的渗透率有望持续提升，进一步抬升滚珠丝杠市场空间。

✓ 电子助力转向系统（EPS）：随着新能源汽车对续航里程的需求持续提升，齿条式电动助力转向系统（R-EPS）有望凭借大扭矩推力、高传动效率持续提升渗透率，从而提升滚珠丝杠在电能源汽车中的应用。

✓ 电子驻车系统（EPB）：当前 EPB 制动钳主要包括螺纹转动及滚珠丝杠传动，其中滚珠丝杠传动在传动效率、运行平稳性、使用寿命等方面更具优势，多用于中高端车型。滚珠丝杠将受益于 EPB 渗透率及滚珠丝杠在 EPB 中的渗透率提升。

✓ 线控制动：从传动原理来看，电子机械制动系统（EMB）与电子液压制动系统（EHB）均使用滚珠丝杠以获得结构紧凑、高精度、低噪音等优势。

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