(报告出品方/作者:财通证券,佘炜超、刘俊奇、孟欣)1 丝杠是实现旋转运动与直线运动相互转换的精密传 动元件1.1 滚珠丝杠传动效率最高,行星滚柱丝杠综合性能较强丝杠是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的理想的产 品。
常见的丝杠产品包括滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠等。
滑动丝杠是最 普通的丝杠机械,产生滑动摩擦,其结构简单,制造方便,在机床上应用广泛; 滚珠丝杠适用于精密传动,产生点接触滚动摩擦,与滑动丝杠相比摩擦力小、传 动效率高、精度高,但其制造工艺较复杂,成本较高;行星滚柱丝杠是最新一代 的精密传动装置,由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈、行星架等组成,产生线接触滚 动摩擦,标准式行星滚珠丝杠传动原理为:配套动力电机带动丝杠旋转,通过啮 合行星滚柱,将电机的旋转运动转换成螺母的直线往复运动。
滚珠丝杠,又名滚珠丝杠副,是工业精密机械中常用的传动元件,其主要结构 包括滚珠丝杠、滚珠螺母、滚珠三部分。
滚珠丝杠轴为螺母运动的导向轴,其表 面具有螺纹,滚珠在螺纹内运动。
螺母由预压片、反向器、防尘器等组成,是直 线运动的移动体,带动滚珠循环机制;其端部密封件用于封装润滑零件、防止异 物进入。
滚珠是利用低摩擦系数维持整个零部件运转的媒介,存在外循环、内循 环两种循环方式。
滚珠丝杠的核心传动原理是将旋转运动转化为直线运动,化滑动摩擦为滚动摩 擦。
当丝杠相对螺母旋转时,丝杠的旋转面通过滚珠的循环滚动推动螺母轴向移 动,化旋转为线性;滚珠的滚动使得丝杠和螺母之间的滑动摩擦转变为滚珠与丝 杠、螺母之间的滚动摩擦,化滑动为滚动,大大提升传动效率。
行星滚柱丝杠属于新一代螺纹丝杠的高精尖分支,综合性能强且应用前景广阔。
行星滚柱丝杠通过啮合滚柱产生线接触滚动摩擦,大幅增加丝杠传动过程的接触 面和受力面,与以往用于精密传动的滚珠丝杠相比,在传动效率损失不大的前提 下,又同时具备了高转速、高载荷、高刚度、高范围导程以及更小体积、更低噪 音、更方便维护拆卸等特点。
目前已经在航空航天、武器装备、核动力等全球高 精尖领域运用,同时在机床、汽车 ABS 系统、石油化工等民用场景下也存在广 泛的应用需求。
1.2 行星滚柱丝杠在标准式基础上衍生的四种类型比较行星滚柱丝杠在标准式基础上衍生出四种类型,它们在结构和功能上具有不同 的特点,从而适用于不同的应用场景。
反向式:螺母和螺钉的功能反转,结构更紧凑,适用于小行程、需要一体化设 计工作场景。
反向行星滚柱丝杠工作原理与标准滚柱丝杠相同,但螺母和螺钉的 功能反转。
滚子在螺母内轴向移动,螺母被拉长以允许传动轴的全行程,以较小 的导程实现更高的额定负载,空间利用率高,但行程受螺母螺纹长度限制。
循环式:循环滚柱设计,适用于高精度,中低速运行工作场景。
循环式行星滚 柱丝杠是循环滚柱设计,由一套凸轮来控制滚柱在螺母内轴向移动,滚柱绕丝杠 旋转一圈后返回到原来的位置。
由于最小螺距与循环滚柱设计,可以实现非常高 的定位精度、分辨率与极高的负载力。
差动式:具备差动运动特点,导程更小,适用于传动较大、负载较高的工作场 景。
差动式行星滚柱丝杠采用分段环槽结构,具备差动运动,可以获得比一般行 星滚柱丝杠更小的导程与更大的减速比,且因其紧凑的结构可以使机电作动器具 有更高的功率体积比和功率质量比。
轴承环式:结构复杂,制造成本较高,适用于承载能力要求极高的工作场景。
增加滚子轴承、端盖、壳体等部件,承载能力大,在高负载的情况下,大大减少 磨损率,但其结构复杂,制造成本高。
2 行业持续增长,外资占据高端市场2.1 国内外市场规模持续增长,国内供需缺口持续扩大滚珠丝杠可实现旋转运动向直线运动的转化,广泛应用于各种工业设备和精密 仪器,下游包括机床、机器人、注塑机等。
从空间来看,滚珠丝杠在新能源汽车 转向机构、电助力转向系统、电子驻车系统、刹车系统具有应用场景。
新能源汽 车行业在汽车销量逐年上升的同时追求全电控、智能化发展,滚珠丝杠的下游需 求有望持续增长。
此外,在机床应用中,全球机床厂供应链中主轴、摆头、转台 等功能部件多数机床厂出于定制化或差异化考虑倾向于自产自制,但滚动功能部 件基本全部外采,伴随机床产业升级滚动功能部件需求持续增长的确定性较强。
在下游应用场景中,目前国内数控机床、机器人与生产线以及航空航天与军工 为滚珠丝杠最主要应用去向。
随着全球智能化产业链的不断扩张和自动化在各领 域的不断深入,人型机器人、高档数控机床、电动机械等下游领域有望不断为包 括滚珠丝杠在内的滚动功能部件提供市场增量,从而扩大滚动功能部件的总市场 空间。
2022 年全球滚珠丝杠市场规模破千亿元人民币,我国滚珠丝杠市场规模以约 10% 的 CAGR 增长,仍存在较大需求缺口。
根据 Zion Research Market 数据,2022 年 全球滚珠丝杠市场规模约为 230.5 亿美元,预计 2030 年全球市场规模可达 405.78 亿美元,2022 至 2030 年期间 CAGR 约 7.32%,增长空间可观。
根据华经产业研 究院数据,我国滚珠丝杠市场规模约占全球总量的 20%,是滚珠丝杠的主要消费 市场之一。
2010 年 10 月 10 日,国务院印发《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》 (国发〔2010〕32 号),将高端装备制造纳入战略性新兴产业。
《中国制造 2025》 提出要加快高档数控机床、机器人等领域的主要功能部件的产业化以及加快关键 零部件的突破。
高端装备制造业将成为我国高质量发展、产业转型升级的重要支 撑,加大自主研发力度,突破关键技术问题,深化国产化应用成为未来趋势。
根 据秦川机床 2023 年 5 月投资者关系活动表,我国 2022 年滚珠丝杠及滚动直线导 轨市场容量约为 145 亿元,预计年复合增长率达到 10%以上。
高端制造行业逐渐兴起,政策利好或带来重大突破。
近年来,工信部等国家部门 不断推行相关政策,促使高端装备制造业等发展:22 年 3 月工信部发布《先进装 备制造业高质量发展三年行动计划(2022-2024 年)》,提出了先进装备制造业高 质量发展等具体目标和重点任务,推动装备制造业等升级转型。
23 年 2 月,工信 部发布《智能检测装备产业发展行动计划(2023—2025 年)》的通知》,要求各 企业着力突破核心技术、增强高端供给、加快推广应用、壮大市场主体,打造适 应智能制造发展等智能检测装备产业体系,以支撑制造强国、质量强国、数字中国建设。
高端制造行业包括智能制造装备、轨道交通装备、航空航天装备、汽车 制造装备等子行业,对滚珠丝杠有广泛应用。
随着应用场景不断开发扩大,滚珠 丝杠也将极大拓展应用范围,预计到 2026 年,全球滚珠丝杠应用领域将主要集 中于航空、能源和公共事业。
近年来国内滚珠丝杠下游需求稳步增长,产能端加速释放。
根据华经产业研究 院数据,我国滚珠丝杠产需量缺口在 2014 年至 2021 年间由 307 万套上升至 423 万套,预估 2022 年产需缺口为 455 万套。
2014 年至 2021 年产需缺口年均复合增 长率约为 4.69%。
当前国内滚珠丝杠产量增长速度逐渐趋于放缓,由高速增长逐 步转型为中低速增长,需求量继续保持增长。
未来随我国高端装备制造业不断发 展,相关设备的精密传动需求将不断加大,对于滚珠丝杠大规模量产能力的要求 将进一步提高,或继续刺激产能释放。
2.2 欧日占据主导地位,国内企业仍有较大竞争力发展空间国内外滚珠丝杠发展阶段迥异,国内滚珠丝杠生产技术正逐步向国外追赶。
滚 珠丝杠在国外起步早、发展快、技术成熟,欧美市场在高端滚珠丝杠制造领域占 据垄断地位,并且广泛应用到各领域;在国内发展迅速,市场规模快速增长,同 时国内大型生产企业技术逐渐提升,有望逐步实现国产替代。
目前日本和欧洲滚珠丝杆企业占据全球约 70%的市场份额,CR5 约占市场份额 46%。
全球主要滚珠丝杠厂商有日本企业 NSK、THK,德国博世力士乐、舍弗 勒等。
国内厂商包括中国台湾的 HIWIN、银泰等,以及中国大陆的南京工艺、 秦川机床(江汉机床)等。
国内滚动部件制造厂商众多,但许多正在研发的企业 处于未上市阶段,且多数仅具备单件生产能力,和海外大规模量产企业仍有较大 差距。
从我国滚动功能部件的市场格局来看,日本、欧洲企业主导高端市场,中国企 业仍有进步空间。
根据金属加工公众号信息,在国内滚动功能部件的高端市场, 日本、欧洲企业合计市场份额高达 90%,中国大陆、中国台湾企业市场份额各约 5%,高端市场格局相对集中;在国内滚动功能部件的中低端市场,中国大陆厂 商的市场份额约 30%。
根据王有雪论文《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》论 述,2021 年我国行星滚柱丝杠市场供应量排名前四的厂家分别是 Rollvis(瑞士)、 GSA(瑞士)、Ewellix(瑞典)Rexroth(德国),市占率分别为 26%、26%、14%, 12%。
对于行星滚柱丝杠,由于市场较小,行业参与者主要以海外企业为主,主 要包括斯凯孚、GSA、伊维莱(Ewellix)、博世力士乐等。
全球重点公司 1:舍弗勒舍弗勒集团于 2022 年收购 Ewellix 公司,在原有基础上继续增长滚珠丝杠业务实 力。
Ewellix 公司前身为 SKF 行星滚柱丝杠生产部门,Ewellix 正式加入舍弗勒集 团为舍弗勒行星滚柱丝杠部门增添重要动力。
Ewellix 原为全球领先的驱动和线 性运动解决方案制造商和供应商。
其核心产品用途广泛,包括医疗技术、移动机 械、装配自动化和机器人,以及其他各个工业领域。
舍弗勒旗下传统高端行星滚 柱丝杠品牌 GSA 在装配、加工工艺、材料及热处理工艺上有深厚的积累,从产 品覆盖规格、生产规模到产品生产经验积累具有较大优势,Ewellix 的加入加之 GSA 的原有实力,使舍弗勒拥有了兼顾各种性能和规格的较完备滚柱丝杠产品 矩阵,产品主要应用于汽车、半导体、工业机器人及自动化、石化等。
2022 年,舍弗勒集团工业事业部继续保持销售额和盈利双增长,全年实现销售 额 42.71 亿欧元,按固定汇率增长 14.7%。
其中大中华区工业业务增长 8.8%,主 要得益于原材料和工业自动化业务的销量增长。
另外,2022 年舍弗勒集团完成 了对Melior Motion、Ewellix、CERASPIN等公司的收购,进一步增强了工业业务 的技术实力和业务发展。
根据舍弗勒官网,2023 年舍弗勒集团营业收入预计同 比增长 5%-8%,其中工业事业部收入预计同比增长 9-11%。
全球重点公司 2:SKF——智能与清洁并行,适应自动化导向SKF(斯凯孚)于 1907 年在瑞典哥德堡创立,1916 年斯德哥尔摩证券交易所首 次推出 SKF 股票,1928 年开始在伦敦证券交易所交易。
SKF 当前在全球轴承制 造与创新领域居全球领先地位,在致力于轴承、密封件和润滑系统的开发、设计 和制造的同时,提供机器状态评估、可靠性工程设计和再制造服务,为客户提供 全生态一站式服务。
近年来,SKF 持续致力于打造更加以客户为中心、稳健盈利 能力、高速增长、更精益的 SKF。
SKF 建立了轴承市场上最广泛的研发、生产及分销网络。
全球拥有 77 个制造中 心,15 个技术中心,超过 17,000 个分销点。
SKF 通过自身扩张与横向并购实现 业务覆盖 40 个行业,剖分式轴承的领先品牌 Cooper、以及 PEER、GBC 等行业 领先品牌均于近年被纳入SKF集团。
在铁路、重工业和工业分销市场等行业处于 领先地位,在其他行业中处于突出地位。
SKF 持续推进研发与生产,加速渗透高增长前沿领域。
根据 SKF 2022 年报,公 司正在加速新技术的开发,例如电动汽车、回收和关键领域的解决方案与产品。
2022年,SKF代表性创新产品有创新陶瓷滚珠轴承,是许多电动汽车传动系统的 关键部件,相比传统轴承具有更轻、转速更快的特点。
这意味着更少的摩擦和能 源消耗,以及更长的使用寿命和更低的购买成本。
目前 SKF 丝杠系列产品主要包括精密轧制滚珠丝杠、研磨滚珠丝杠和滚柱丝杠。
同时,SKF 提供用于这些滚珠和滚柱丝杠的匹配附件,如螺母法兰和支撑轴承。
目前 SKF 集团主要由位于法国的 Transrol 工厂和美国的 Armada 工厂承担滚珠丝 杠产品的生产。
从财务方面来看,2022 年 SKF 净销售额达 969.33 亿瑞典克朗,同比-18.5%(考 虑汇率变化),但营业利润受到原材料与能源成本上升影响略微有所下降。
从业 务部门来看,工业零部件及分装仍是销售主力部门。
从地区来看,2022 年中国 与东北亚地区占总销售额 21%,是全球重要市场之一。
全球重点公司 3:NSK——日本最大轴承制造商,全球滚珠丝杠市占率第二NSK 成立于 1916 年,上市于东京证券交易所。
是日本首家轴承制造商,也是目 前日本最大轴承制造商,在 2020 年全球市场份额位居第三。
业务方面,NSK 利 用生产轴承锤炼出的精密加工技术,开展工业机械轴承、精密机械及零部件以及 汽车轴承和组件业务。
推动多方位的事业拓展。
在滚珠丝杠生产中,NSK 目前在全球市场占有率第二,研发水平与产品先进性 居世界前沿。
主要应用场景为机床、注塑机、普通机械,也有半导体及液晶的制 造装置等特殊工况。
在研发与产品更新上,NSK 全球首创开发出用于 EV•混合动 力汽车的能量回生协同制动系统用低摩擦力矩滚珠丝杠,研发出世界最大的高负 载能力的超大型滚珠丝杠。
NSK 持续注重于技术创新,“4+1”核心技术引领产品进步。
NSK 基于以下四项+ 一项核心技术推动产品质量与功能性的提高。
(1) 摩擦学技术。
NSK 致力于研究、阐释与控制摩擦。
主要研究接触表面在相 对运动中的摩擦和磨损,例如用薄油膜承受巨大力的旋转部件。
通过开发润滑和 表面处理技术,NSK 产品可以抵御恶劣的操作条件,从而为需要低摩擦、高速 旋转、安静操作或增强耐用性的应用提供卓越的性能。
(2) 材料技术。
公司坚持不懈追求性能耐用性与可靠性。
材料研发几乎影响产 品性能的方方面面。
通过仔细筛选与优化材料成分、热处理和陶瓷材料,NSK 持续优化应用性能。
从而服务于功能、耐用性或可靠性的改进,或者成本效益优 化与生产效率的提高。
(3) 数值模拟解析技术。
NSK 通过仿真技术克服了经验道路导向的限制和过长 的测试期,实现了加速产品开发的准确性和可靠性。
同时以计算机仿真技术可以 对违背先前预期的极端条件或与过去不同的创新设计进行评估和分析。
(4) 机电一体化技术。
机电一体化将机器元件技术与控制技术相结合。
通过将 轴承、滚珠丝杠和线性导轨与电机、传感器和计算机相结合,计算机控制增强了 机械功能。
这项技术能够将新的功能和性能更有效可靠应用于一系列工业机械, 如汽车和生物医学。
它还有助于提高可靠性,以及日常生活中的便利性和安全性。
(5) 生产技术。
通过上述四项核心技术,能够提高产品性能。
欲为环境做出贡 献并提高安全性,需要生产技术的优化为这些技术注入活力。
NSK 通过将人工 智能技术应用于其设备,优化其整体生产框架,同时努力创建节省空间、节省能 源和削减人力需求的智能化工厂。
NSK 于上世纪 60 年代初在美国密歇根州安阿伯设立了销售公司,以此为开端, 正式迈开建立并运营海外事业网点的步伐。
根据 NSK 官网,截至 23 年 3 月, NSK 在日本/中国/美国/英国/新加坡/印度设立了地区本部,并在全球范围内拥有 68 个生产基地和 22个研发基地。
NSK 自 1990 年代中期开始加快中国及亚洲地区 的事业拓展,特别是针对急速成长的中国市场,建立起了全套经营体制。
2022 年,NSK 中国市场销售额占比约 20%,为除日本外的第二大市场。
2022 年, NSK 集团实现营业收入 9381 亿日元和归母净利润 184 亿日元,分别同比 +8.4%/+2.0%。
2020-2022年,NSK 精密机械及零部件领域销售额从 411 亿日元升 至约 692 亿日元,期间 CAGR 约 30%。
2022 年,NSK 在中国市场的销售额占比 约 20%,为 NSK 除日本外的第二大市场。
全球重点公司 4:THK——全球最大滚珠丝杠厂商,进军机器人自动化模块THK 于 1971 年在日本东京创立,1989 年首次股票公开发行,2001 年在东京证券 交易所上市,2010 年开设中国研发中心。
为世界首家通过滚动接触开发直线运 动方法的公司,也是成为世界上第一家开发了直线运动(LM)导轨并使之商业 化的公司。
THK 建立了全球化制造系统,形成四位一体生产与销售基地。
截至 2022 年, THK 在日本、欧洲、北美、南美和亚洲等地拥有包括关联公司在内的 37 家制造 工厂,从机床、半导体制造装置,产业机器人等生产资材领域到汽车、住宅、医 疗器械、智能机器人、能源相关等新一代环保型消费资材领域,THK 在不断注力于重点领域的发展和新领域事业范围的拓宽。
目前围绕人工智能和机器人领域 进行科技活化活用,在制造领域迅速扩展物联网服务,推动商业模式变革。
THK 于 1979 年开始制造销售滚珠丝杠,目前产品主要以定位滚珠丝杠、运输滚 珠丝杠、旋转螺母滚珠丝杠等划分系列。
应用于新一代机器人、搬运机器人、半 导体封装设备以及自动包装机等多种产品。
全球重点公司 5:HIWIN——创新引领产品优化,多场景应用开启业绩回暖HIWIN 创立于 1989 月,2009 年在中国台湾证券交易所挂牌上市。
公司推动全球 布局,在亚洲、欧洲等大洲的 34 个国家完成注册登记,在中国台湾、日本东京、 德国欧芬堡等地设立研发中心。
目前,公司已经成为全球范围内传动控制产品与 系统科技产品的专业制造者。
HIWIN 具有多方位的产品矩阵。
公司主要生产滚珠丝杠、滚珠花键、直线导轨、 单轴与多轴机器人、谐波减速器以及医疗设备等。
在研发创新方面,HIWIN 在 世界上首创与工业 4.0 连结之智能型滚珠丝杠-i4.0BS,透过专用之振动和温度复 合式传感器并搭配专家算法,能有效监测滚珠丝杠效能。
其下游应用从机床产业 逐渐拓展到日本射出成型机及新加坡半导体设备大厂,具有广阔的应用市场。
2022年,HIWIN受益下游高景气度,营业收入创历史次高。
2022年,HIWIN实 现营业收入 293.1 亿台币和归母净利润 44.8 亿台币,分别同比+7.5%/+ 26.8%。
2022 年,公司营业收入主要