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（报告出品方/作者：安信证券，郭倩倩、高杨洋）

1.滚珠丝杠：高端装备国产化之路中的关键零部件

1.1.滚珠丝杠副与直线导轨副共同组成了应用广泛的机械传动装置

滚动功能部件是通过滚动体在接触滚道中的滚动，将传统的滑动摩擦传动形式转换为滚动摩擦传动，从而大大提高传动效率和运动精度的精密关键部件。滚动功能部件主要包括滚动丝杠副、滚动直线导轨副、滚柱花键、滚动直线运动装置等，其应用广泛，从数控机床行业逐渐拓展到医疗器械、新能源汽车、机器人等智能化行业，其中滚珠丝杠副和滑动直线导轨副的组合技术发展最快、产业化程度最高、应用领域最广。其中核心部件滚动丝杠副（滚珠、滚柱两大类滚子）是一种可以将旋转运动与直线运动进行双向转换的传动元件，相较传统的滑动丝杠副传动效率更高。滚动丝杠副构件间的可动联接不借助于运动副本身，而是通过在丝杠和螺母之间的中间元件滚珠来实现，从而以滚动摩擦代替了滑动摩擦。与传动的滑动丝杠副相比，滚珠丝杠副只需要原来的三分之一动力即可达到同一水平的传动效果，其能够减少传动副摩擦、提高传动效率，能够更好满足现代机械传动在高速度、高效率、高精度等方面的要求。

滚珠丝杠上游材料端直接影响产品性能，下游应用领域广泛。从产业链上游来看，滚珠丝杠上游主要为滚珠丝杠的零部件，即丝杆、螺母和滚珠等，其原材料主要为钢铁等原材料。构件所选用的材料影响滚珠丝杠副的刚度、强度、耐磨性等，良好的微量元素配比能够减少加工流程中的畸变和裂纹，在提高加工效率的同时，能够提高滚珠丝杠的耐磨性和解除疲劳强度以及使用寿命，因此滚珠丝杠存在材料配方壁垒，厂家通常选用综合性能良好的轴承钢、合金钢等作为滚珠丝杠副的原材料。从产业链下游来看，滚珠丝杠是众多机械设备不可或缺的传动元件，其产业链下游应用广泛，包括机床、航空航天、汽车、冶金、医药等多种领域。

1.1.1.滚动功能部件的组成包括滚珠丝杠副和直线导轨副

（1）滚珠丝杠为工具机械和精密机械上常用传动元件。滚珠丝杠副是由滚珠丝杠、滚珠螺母和滚珠组成的部件，可以将旋转运动转变为直线运动，也可以将直线运动转变为旋转运动，具备高精度、可逆性和高效率的特点。滚柱丝杠副行业伴随机床工业发展而发展起来，目前已广泛应用于机床、汽车、航空航天、医疗器械、建筑、包装印刷等领域。滚珠丝杠主要的零部件及作用如下：①丝杠：转动部件，直线度高，具有半圆形螺旋槽的螺纹；②螺母：用来固定需要移动的负载；③滚珠：作为承载体、中间传动元件，以滚动方式传递运动；④防尘片：密封丝杠、螺母，防止外部污染物进入螺母内部；⑤油孔：用于加润滑油，保持滚柱丝杠结构运行时良好的润滑。

（2）滚动直线导轨副为滚动功能部件的组成部分，具有导向、承载、定位等功能。滚珠直线导轨副由滑块、滚动体、导轨、反向端盖以及保持架等部分组成，因滚动直线导轨副具备运动灵敏度高、定位精度高、牵引力小、磨损小、润滑维修简便等优点，其在高档数控机床中应用广泛。其主要零部件及作用如下：①滑块：与机床运动部件相连，通过滚动体滚动实现与导轨的相对滑动；②导轨：固定在基座上，起运动导向作用，其加工精度直接决定了滚珠导轨副精度；③滚动体：直线导轨副的承载部件，常用类型包括滚珠和滚柱两种，其中滚珠具有摩擦小、自调心能力强与误差均化优点，但承载能力较小；滚柱有较大承载能力，但摩擦力较大；④反向器：用于实现滚动体循环运动；⑤密封端盖：起到密封及防尘作用，同时端盖内密封有润滑油，保持滚道润滑；⑤保持架/板/链：用于隔离滚动体，防止滚动体之间碰撞和摩擦，有效降低直线导轨副噪声。

1.1.2.滚珠丝杠可根据循环方式、加工工艺、特殊应用进行分类

滚珠丝杠分类方式众多，①根据滚珠循环方式：可分为内循环、外循环、端盖式外循环以及螺母旋转式滚珠丝杠；②根据加工工艺：可分为磨削、冷轧滚珠丝杠；③根据特殊应用场景：可分为高负荷、自润式、静音式、高速化滚珠丝杠。

（1）根据循环方式：根据滚珠的返向循环回路是否脱离丝杠的滚道，滚珠丝杠可分为内循环式、外循环式和螺母旋转式，其中外循环一般指插管式外循环和端盖式外循环。内循环：滚珠循环时不脱离丝杠表面。内循环式滚珠丝杠装有接通相邻滚道的返向器，滚珠在翻越螺纹滚道牙顶后，借助返向器上回珠槽的作用重新回到初始滚道。采用内循环方式的滚珠丝杠的螺母外径小，可微型设计，满足最小空间安装，并且制作简单、成本低。内循环式丝杠适用于中小导程、中低速度场景，如3D打印机、中小型医疗扫描仪等。

外循环：滚珠循环返回离开丝杠表面。插管式外循环：适用范围广，多作为标准产品。插管式外循环滚珠丝杠将部分的成形弯管插入螺旋滚道，以弯管端部舌形斜口作为挡珠器来引导滚珠进出弯管以构成循环通道。其结构简单，工作可靠，工艺性好，易于批量生产，与内循环相比可以实现更大导程、更强承载能力。插管式外循环应用广泛，能适用于重载高速的驱动系统和精密定位系统，能实现大、小导程。端盖式外循环：可为多线螺纹，应用于多牙口设计。端盖式外循环滚珠丝杠在螺母端部配置滚珠返向器，在螺母内设置贯通孔，滚珠通过端盖和螺母滚道内部的贯通孔实现循环。其螺母径向、轴向尺寸小，滚珠循环部的加工复杂，可实现多线螺纹、承载能力大。端盖式外循环式适用于多线、高承载、低转速、低精度传动行业的应用场景。

（2）根据加工方式：滚珠丝杠生产环节多，良率控制为生产难点。滚珠丝杠结构复杂，加工工序较多，除了复杂的冷加工部分，还有前期的预热处理、螺纹滚道部分淬火处理，中期的时效处理等热处理工序，一件滚珠丝杠的制作大约需要20多道工序，于是控制良率成为生产中的难点。滚珠丝杠下游应用多元、产品性能要求各有不同，但整体来看加工流程较为标准化，只在材料端和关键工艺上略有区别。从工艺角度来看，滚珠丝杠整体可分为磨削滚珠丝杠和冷轧滚珠丝杠两类：①磨削滚柱丝杠加工工艺复杂，精度更高。按照基准统一原则，以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等几十道工序逐一完成，制造精度高达到P1级，非常适合给高精度设备做定位部件，同时材料及热处理方式对滚珠丝杠成品零件的制造质量及精度影响非常大。②轧制滚珠丝杠自动化程度更高，制作周期短，精度较低。采用冷加工工艺模具制造，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低、效率高，但制造精度较低，停留在P7级左右，只能在设备中做传动部件。

（3）根据特殊用途：为满足下游应用需求，适应各行各业的工作环境，根据丝杠的功能、特点和特殊用途不同，滚珠丝杠也可以划分为高负荷、自润式、静音式和高速化等。高负荷：承受较大的轴向负荷。重负荷滚珠丝杠采用特殊的几何牙沟与回流系统设计，降低丝杠牙沟所承受的轴向负荷，提升滚珠丝杠所能承受的最大负载力。相较于一般标准滚珠丝杠，其额定负荷大幅提升约2-3倍以上，于高负载应用下可以提供更长的使用寿命。广泛应用于全电式射出成形机、半导体制造装置、重负荷制动器、产业机械、锻压机械等领域。自润式：保持最佳润滑效果，延长保养周期。自润式滚珠丝杆具有可拆换储油装置，不需要润滑管路系统与设备，同时储油装置也易于自行拆换、补充，无需对滚珠丝杠及机台做拆解、重组，节省了维修及保养的时间，减少了换油和废油处理成本。广泛应用于印刷机械、自动化机械、医疗设备、X-Y工作台等工业机械和电子机械领域。

1.2.对比滚珠传动，滚柱丝杠有望凭借性能优势在诸多新兴应用领域大展拳脚

滚柱丝杠为使用滚柱进行传动的传动机构，类似行星传动体系，因而又得名行星滚柱丝杠。其基本结构主要包括丝杆、滚柱、内齿圈、保持架和螺母等，其原理为丝杠旋转带动滚柱绕丝杆轴向公转同时绕自身轴线自转，然后滚柱带动螺母做轴向运动。其中，三大构件（丝杠、滚柱、螺母）的牙型角皆为90°，丝杠与螺母为直廓牙型，滚柱采用弧形牙型。

根据滚柱相对于丝杠和螺母的运动关系，行星滚柱丝杠可以分成5类，分别为标准式、反向式、循环式、轴承环式和差动式。

①标准式行星滚柱丝杠：适用于高负载、大行程、高速等场合，应用广泛。丝杠、螺母为三角形多头螺纹，滚柱为具有一定螺旋升角的球形单头螺纹，丝杠为主动件，螺母为输出构件。其能够实现较大行程，适用于环境恶劣、高负载、高速等场合，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域，是目前应用最广泛的类型，其他4种类型均为适应不同应用环境而在其基础上演变而来。

②反向式行星滚柱丝杠：适用于中小负载、小行程、高速场合。与标准式不同在于有内齿圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，螺母作为主动件，丝杠为输出构件，滚柱、丝杠之间无相对轴向位移。其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，可用于航空、航天、船舶、电力等领域，主要缺点为行程受到螺母内螺纹长度的限制。

③循环式行星滚柱丝杠：适用于高刚度、高承载、高精度场合。相比于标准式，去掉了内齿圈，增加了凸轮环结构，其功能类似于滚珠丝杠的返回器，其滚柱上无螺纹、齿轮结构，为环槽状，环槽间距与丝杠、螺母的螺纹匹配，其安装在具有凹槽结构的保持架上。同时增加了参与啮合的螺纹数量，具有较高的刚度和较大的承载能力，主要应用于要求高刚度、高承载、高精度的场合，如医疗器械、光学精密仪器等领域。缺点在于其凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题。

④差动式行星滚柱丝杠：适用于传动较大、承载能力较高场合。与标准式相比，去掉了内齿圈，滚柱上无齿轮段。其结构特点使其导程更小，适用于传动较大，承载能力较高的应用场合。但在运动过程中，螺纹会产生滑动现象，在重载情况下，容易产生磨损，导致精度丧失，可靠性降低等问题。

⑤轴承环式行星滚柱丝杠：适用于高承载、高效率场合。相比于标准式，螺母上去掉了内齿圈，增加了壳体、端盖及推力圆柱滚子轴承等部件。推力圆柱滚子轴承提高了其承载能力，同时减小了各构件间的磨损，增大了传动效率。其主要适用于高承载、高效率等场合，如石油化工、重型机械等领域。但其存在着结构复杂，径向尺寸大，制造成本高等缺点。

从滚珠丝杠与滚柱丝杠对比的角度来看，①发展历史：滚珠丝杠发展历史更长，但滚柱丝杠结构同样经历了较长时间验证；②性能比较:行星滚珠丝杠在承载能力、刚度、传动速度、导程范围等方面更具优势。

行星滚柱丝杠也并非新兴产品，其发展历史可追溯至年。（1）滚珠丝杠：滚珠丝杠发明于年，20世纪30年代，美国通用公司在汽车的转向装置上首次应用了滚珠丝杠元件，20世纪40年代，滚珠丝杠副首次在数控机床上得到使用，并成为了数控机床的理想进给元件；伴随机床和自动化设备的发展，对滚珠丝杠副的研究和生产得到推进，50年代开始在工业发达国家出现众多滚珠丝杠副厂家，如英国ROTAX、日本NSK等。我国研制用于数控机床的滚珠丝杠副起步于20世纪50年代，年我国自行设计研制第一套滚珠丝杠副，自年国家启动相关课题开始，国内企业如汉江机床、山东博特精工等已经取得了许多优秀的成果，但目前我国在高性能产品上与世界先进企业相比仍有进步空间。（2）行星滚柱丝杠：年，瑞典人CarlBrunoStrandgren首次申请了循环式行星滚柱丝杠专利，年申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠专利，年，WilliamJ.Roantree发明了差动式行星滚柱丝杠，之后OliverSaari发明了轴承环式行星滚柱丝杠。年，瑞士的Rollvis公司开始研制行星滚柱丝杠，瑞典的SKF也同时研制行星滚柱丝杠，美国的Moog、德国的Ortlieb和英国的PowerJacks等都有各自成熟的行星滚柱丝杠产品；美国的Exlar和德国的Rexroth都将行星滚柱丝杠运用到各自的机电作动器中。目前我国研制行星滚柱丝杠副的企业仍较少，且大多数处于结构设计阶段，与国外企业存在差距。

行星滚珠丝杠较滚柱丝杠具备高承载能力、高刚度、高传动速度、更大的导程范围等优势。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的最大区别在于载荷传递元件为螺纹滚柱，因此大幅度增加了丝杠的受力接触面，从而使得承载能力和刚性比普通滚柱丝杠更高，同时用滚柱替代滚珠，解决了滚珠直径取值范围小，空间和承载能力有限的问题。行星滚柱丝杠副具有以下特点：①高承载：相同长度下的滚柱和滚珠，滚柱相比滚珠提供了更多的接触点（线接触），因此滚柱具有更高的承载能力和刚度；②小体积：相同承载能力下，滚珠的体积比滚柱大2/3；③高速度：在滚柱运动过程中，保持架使相邻滚柱之间不相互碰撞，而滚珠在运动过程中，相邻滚珠之间没有间隙，滚珠会在滚道发生碰撞，因此滚柱丝杠的工作速度更高；④高精度：滚柱丝杠中丝杠螺旋升角较小，牙型轮廓为90°的三角形，这种结构形式的导程精度较高，进给量可以精确到毫米以下；⑤长寿命：根据生产厂商GSA进行的寿命试验，相同工况下的滚柱丝杠是滚珠丝杠实际寿命的15倍。

1.3.滚动功能部件下游应用领域众多，不同性能要求对应多元化规格产品

滚珠丝杠及行星滚柱丝杠下游应用众多，在高精尖等领域发展空间广阔。滚柱丝杠下游应用领域广阔，包括高档数控机床、普通机械、工业机器人、人形机器人、航空航天、医药、模具加工等领域。滚珠丝杠的主要性能参数包括：精度等级、轴向间隙、额定负载、导程、丝杠轴外径和长度等。

①精度等级（导程精度）：滚珠丝杆的JIS等级可分为C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10级，精度表示方法为无论滚珠丝杠的长度为多长，任取mm的误差都在等级代表的精度之内，如精度等级为7级时，任意mm行程内行程变动量为0.mm，即C7=0.05。根据使用场合的不同，滚珠丝杠可分为压轧制滚珠丝杠（转造级滚珠丝杠）和精密滚珠丝杠（研磨级滚珠丝杠）；压轧制滚珠丝杠主要用于传送，用于位置精度要求不高的场合，常用经济精度有C7、C10。精密滚珠丝杠主要用于定位精度要求高的场合，精度等级为（C0-C5级），常用精度等级为C3、C5、C7。

②轴方向间隙：滚珠丝杠的螺母与丝杠轴轴向的间隙值，一般在0-0.12mm左右，轴向间隙影响物体移动的重复精度；

③容许轴向负载：容许轴向负载时指相对于可能使丝杠轴发生屈曲的负载，确保其安全性的负载，施加于丝杠轴的最大轴向负载须小于容许轴向负载;

④容许转速:滚珠丝杠的转速取决于必要的进给速度和滚珠丝杠的导程，且须小于容许转速,滚珠丝杠的容许转速小于与丝杠轴固有振动一致的危险速度的80%。

⑤寿命：滚珠丝杠的寿命是指滚珠滚动面或任一滚珠因交变应力而产生疲劳，直至开始产生剥落现象时的总旋转次数、时间、距离。

⑥导程：导程为滚珠螺母相对滚珠丝杠旋转一周的行程；常见丝杠导程有：4、5、6、8、10、12、16、20、32、40、50、60、80、mm等。

⑦丝杆外径：主要有：12、15、16、20、25、31、32、38、40、48、50、61、63、77、80、96mm等。

2.行业分析：百亿级滚动功能部件市场迎国产替代机遇

2.1.中国滚动功能部件市场规模估计超亿元，新兴应用驱动下成长空间广阔

滚动功能部件年全球市场规模预计超亿美元，前装市场占据约3/4。滚珠丝杠自年诞生以来，其功能从最初“省能传动”发展到“精密定位”，从“大导程快速驱动”发展到“高速精密驱动”，随着高速、精密、大负荷等各种特殊用途的创新与发展，推动了滚珠丝杠及配套直线导轨的市场规模的持续扩张。根据ValueMarketResearch数据，预计年滚动功能部件全球市场规模为.3亿美元（约合亿人民币），预计-年CAGR为9.4%（我们认为，ValueMarketResearch报告中所提及的“滚珠丝杠”应属于广义上的滚动功能部件，即包含了滚珠丝杠副及直线导轨副配套，并囊括了下游工业制造、航空航天、石油管道等各类或大或小的下游应用）。分渠道来看，前装OEM市场、售后市场分别占据约74%、26%，相对稳定；分市场来看，中国、印度等亚洲国家工业化进程推动了滚动功能部件市场的增长，预计-年，亚太地区市场份额在全球占比有望从44.9%增长至46.6%。

中国市场规模约占全球的20%，得益于制造业快速发展，预期-年滚动功能部件复合增速高于海外市场。根据金属加工杂志社，年预计我国滚动功能部件市场规模亿，至年有望增长至亿，CAGR达12.4%（对比全球-年市场规模CAGR为10.33%）。其中机床为第一大单一下游应用领域，约占总市场规模的21.6%，对应年需求规模约亿，其次在专用设备领域（包含半导体、电池制造及其他专用设备）、工业自动化（机器人）、医疗器械、汽车领域也有着广泛应用，预计年分别占总市场规模的30.3%、10.8%、15.1%、3.2%。粗略估计年滚动功能部件在泛工业制造中的应用约占总需求的70%，同时新兴应用场景的持续出现也推动了滚动功能部件需求的持续扩张，例如注塑机、压力机、工程机械等领域的电动化趋势，以及人形机器人商业化前景下的供应链产品升级。

2.1.1.机床行业：成熟应用场景产品伴随产业升级，国产替代逻辑清晰

滚珠丝杠在机床中主要位于传动系统中，与导轨、主轴共同带动刀具等组件的运动传导。滚柱丝杠在机床中的主要功能为将回转运动转化为直线运动或将直线运动转化为回转运动。一套滚珠丝杠副由一根丝杠、一根螺母、多个钢球组合。一般情况下，在机床中的一整套运行机构由两道滚动直线导轨及一根滚珠丝杠副组成，驱动运动部件实现精确移动。滚珠丝杠在机床中应用主要朝向高精、高速、重载及低噪音方向发展。在机床中使用滚珠丝杠而非液压进行传导的主要原因在于其传动效率高（滚动摩擦）、精度好（多为螺纹磨削或模具连续轧压）、精度保持性强（因为其为滚动摩擦，所以可以采用优质钢材如轴承钢等按硬对硬接触方式提高了耐磨性和整体刚度）。随着机床逐步向高端化、复合化方向发展，未来滚珠丝杠的重点发展方向在于维持产品性能并减少体积和通过热处理延长产品寿命。

2.1.2.工程机械：电动化替代液压传动，新兴应用场景正在落地

在工程机械电动化发展趋势下，推动电动缸对传统液压缸的替代，电动缸里核心部件之一即滚动功能部件（其中核心元件包括滚珠、滚柱丝杠等不同种类）。类比电动化发展较快的注塑机行业，根据机械工业信息研究院，电动式注塑机已占到注塑机总量75%，注塑机中注塑和合模部分要求滚珠丝杠较高的负荷承受能力,0吨以上大型电动化注塑机额定动载荷基本在0kN（t）以上,要求把粘度较高的塑性材料以高速射出,并加以保持,滚珠丝杠通常以20-mm的行程（导程范围）,以-mm/s比较慢的速度,在高负荷的状态下反复运动。NSK公司也开发了处于世界领先水平的注塑机专用滚珠丝杠（HTF系列）。在工程机械应用中，产品品类、应用环境多元化的特点也决定了电动缸的多规格、多结构的需求特点，例如：高频电动缸应用于打桩机；伸缩旋转式电动缸应用于旋挖钻机；缓冲式电动缸应用于推土机等。工程机械电动化所需滚珠丝杠产品具有典型的低精度、高负载的特点。类比机床应用领域，滚珠丝杠精度要求一般在微米级别，工程机械行业精度要求不高，一般在毫米级别；类比注塑机领域，注塑部分的滚珠丝杠副要求能在小行程下运动并具有良好的承受高负荷能力的主要特征。和工程机械电动化应用类似，滚珠丝杠副部件需要保证设备作业效率、较高的耐磨性以及具备高负载能力，而注塑机领域电动化的成功应用一定程度上证明了——工程机械电动化在关键的滚动功能部件性能端具备可行性。

从传动效率来看，电动缸传动能量损失少，传递能量高达80%。在执行元件工作过程中，往往伴随着各类发热损耗，包括电机、压缩过程、传输过程、其他机械损耗、泄露损失。根据瑞典Ewellix（滚珠丝杠制造商，全球线性驱动器解决方案领先企业）

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