发布时间: 2024-06-18 22:31:57 人气：1 来源：行业新闻
丝杠是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，其基本功能是将旋转 运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精 度、可逆性和高效率的特点。丝杠最早可以追溯到古代对螺旋形状的研 究，而丝杠在现代工业中实际应用线 世纪初的第一次工业 革命时期。1841 年，英国人惠特沃斯提出世界上第一份螺纹标准，取名 惠氏螺纹，由此产生了螺纹标准技术体系。传统螺杆存在定位不佳、易 损害的确定，为改善丝杠性能，滚珠丝杠的基本构造在 1874 年在美国 优先申请专利。随着 1917 年螺纹磨床的问世和螺纹磨削技术的进步， 滚珠丝杠副在精度和性能上才有所提高。1940 年美国首先将滚珠丝杠 副用于汽车转向装置上，才使其正式商品化，这是滚珠丝杠在应用上的 巨大革命，其逐渐取代了传统的艾克姆螺杆（ACME）。
丝杠种类众多，滚动丝杠优势显著。按其摩擦特性，丝杠可分为滑动丝 杠、滚动丝杠和静压丝杠三类：
1）滑动丝杠：螺纹常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹和三角形 螺纹等，其中梯形螺纹由于工艺性更好（能够用高效率的办法来进行加工）， 较三角形等其他种类更为主流。滑动丝杠广泛用于普通级机床的进给传 动、分度机构和一般机械的丝杆传动等。从优缺点看，滑动丝杠结构简 单，加工方便，具备价格成本优势，具备自锁能力，但滑动丝杠摩擦力 较大，传动效率通常较滚动更低，一般为 30-40%，磨损快，定位精度和 轴向刚度较差。
滚珠丝杠：主要由螺杆（螺纹轴）、螺母、滚珠、滚珠回流管、预 压片、防尘片等部分组成。滚珠丝杠的工作原理是，当输入旋转运 动或线性运动的力传递到螺纹轴时，滚珠被迫滚动在螺纹轴与螺母 之间的导槽上，由于滚珠的滚动摩擦系数较小，摩擦损失也相对较 小，因此滚珠的转动效率较高，为了防止滚珠从螺母的另一端跑出 来并循环利用滚珠，滚珠在丝杆上滚过数圈后，通过回程引导装置 （例如回流管）又逐个返回到丝杆与螺母之间的滚道，构成一个闭 合的循环回路。通过滚珠的滚动，输入的运动力可以平稳传递到螺 母，从而实现线性或旋转运动。这其中，防尘片是用来防止外部污 染物进入螺母内部。除上述结构外，由于负载需要作高精度的直线 运动，通常滚珠丝杆机构必须与直线导轨或直线轴承等直线导向部 件同时使用。滚珠丝杆机构用于驱动负载前后运动，而直线导向部 件则对负载提供直线导向作用。
行星滚柱丝杠：原理类似滚珠丝杠，滚子代替滚珠用作螺母和丝杠 之间的载荷传递元件，滚子通常带有螺纹。结构上看，标准式行星 滚柱丝杠主要由丝杠、螺母、滚柱、内齿圈及保持架等部分组成。 其在主螺纹丝杠周围布置了 6 到 12 个螺纹滚柱丝杠，滚柱螺母内 使用的是小螺纹滚柱与主丝杠相互啮合，这时的螺母结构类似行星 齿轮箱。为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与 螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是 为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转 时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作 直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通 过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着 相同的轴向移动速度。
对比应用广泛的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠具备一定优势。相比于滚珠丝 杠，行星滚柱丝杠具备 ：a） 滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱 同时参与啮合，接触点多，在给定的体积内，比滚珠丝杠拥有更多立足 点，在给定额定载荷下，滚柱丝杠可以更紧凑，因此其在相同直径下较 滚珠丝杠承载能力提高 6 倍、相同负载下节省 1／3 空间、寿命提高 14 倍、工作环境温度范围提高 2 倍；b）与滚珠丝杠传动效率相当，润滑 良好的情况下效率可达 90％；c）滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此 加速、旋转和减速的能力更强；d）采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，且高速运转时产生的振动噪声较小；e） 可在恶劣 环境下使用；f）拆卸方便。
行星滚柱丝杠种类较多，反向 PRS 可实现电机和 PRS 的融合设计。为 了适应不同的应用环境及安装条件，行星滚柱丝杠（PRS）结构形式也 在不断发展，根据结构组成及运动关系的不同，其可以分为标准式行星 滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚 柱丝杠、轴承环式行星滚柱丝杠。a）标准式：丝杠、螺母为三角形多 头螺纹，丝杠为主动件，螺母为输出构件。它能够实现较大行程，是目 前应用最广泛的类型；b）反向式：工作原理与标准式一样，区别在于 其没有内齿圈，将螺母作为主动件，由丝杠直线输出，滚柱和丝杠之间 没有相对轴向位移，因此，滚柱螺纹和丝杠螺纹长度一致。这种结构的 最大优点是可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计，可替 代传统液压、气压伺服作动系统，主要用于中小负载、小行程和高速的 应用场景，缺点是需要加工较长的螺母内螺纹以保证丝杠行程，因此对 螺母的内螺纹加工提出了更高的要求；c）循环式：增加了参与啮合的螺 纹数量，因此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。其缺 点在于凸轮环结构会产生振动冲击，存在噪音问题；d）差动式：可以 获得更小的导程，适用于传动比较大，承载能力较高的应用场合，但在 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；e） 轴承环式：推力圆柱滚子轴承大大提高了其承载能力，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。
3）静压丝杠：静压丝杠由丝杠和螺母组成，丝杠为外螺纹，螺母为内 螺纹。由于螺母与丝杠之间的摩擦力较大，需要较大的力才能使螺母运 动，为了减小摩擦力，静压丝杠引入了液体静压原理。在静压丝杠中， 液体静压力会均匀作用在螺纹的每一个点上，将外力均匀地传递给螺纹 和丝杠。这样即使在高负载情况下，螺纹和丝杠之间的摩擦力也能得到 有效的减小，从而降低了推动螺母所需的力，并提高了传动效率。静压 丝杠的摩擦力和速度成正比，低速时几乎为零，且静压丝杠极佳的减震 性能完全消除了滚动丝杠具有的振动和噪音。因此，静压丝杠更适合于 需要较高进给推力以及具有频繁振动负载的场合。
螺距决定丝杠精度，机床引发的渐进线误差是关键。评价丝杠零件的精 度指标主要有螺距、中径、牙形角以及表面粗糙度等，而其中螺距精度 是最重要的一项指标。丝杠加工精度以螺距误差为主要标准，螺距误差 主要有渐进性误差（累积误差）、周期性误差和偶然误差，其中渐进性 误差将对其定位精度起决定性作用。周期性误差是一个多项谐波误差的 合成，该误差将严重影响其传动精度，而偶然误差是在丝杠加工过程中 由于一些偶然因素引起的误差。此外，按照误差源的变化规律可将丝杠 螺距误差分为静态误差、动态误差和随机误差。静态误差是由机床本身 的几何误差和传动误差造成的；动态误差是机床在运转时产生的误差， 它是随加工工艺系统以及加工条件等变化而变化；随机误差主要包括室温及油温变化，外界振动等干扰因素引起的误差。
衡量丝杠产品的精度标准种类繁多，从机加工方式看，磨削精度最高。 丝杠产品精度的专用衡量标准（等级指标）有很多种，包括 ISO 标准（国 际标准化组织发布的标准）、DIN 标准（德国工业标准化委员会制定）、 JIS 标准（日本产业标准化委员会制定，C0-C10）、GB 标准（我国国家 标准制定，P1-P10）等等，其中日韩、中国台湾等一般用 JIS 标准，分 为 C0、C1、C2、C3、C5、C7、C10 七个等级，数字越小，精度越高， 一般来说，普通机械采用 C7，C10 级，数控设备采用 C5，C3 级甚至更 高，欧洲国家的标准采用的是 IT 公差等级（IT01，IT0， IT1-IT18）， 国内的标准精度等级则分为 P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10。从机加工 的加工方式来看，按 IT 标准公差等级评判，磨削是精度最高的加工方式， 其精度可达 IT8~IT5 甚至更高，表面粗糙度一般磨削为 1.25~0.16μm。 此外，车削加工精度较磨削稍逊色，等级一般为 IT8~IT7，表面粗糙度 为 1.6~0.8μm。
螺纹磨削：通过使用旋转的砂轮在滚珠丝杠的表面研磨出精细的凸 台，达到高精度的运动效果。螺纹磨削工序有粗磨螺纹、螺纹底沟 磨削和精磨螺纹等，这些工序均在丝杠淬火至硬度达 58～62HRC 后用螺纹磨床磨削。该工艺具有高精度、高性能等特点，但是，基 于螺纹磨削切削用量的限制，并且在磨削过程中要不断地修整砂轮 和校直丝杠，因此工时较长，加工效率较低，需要高技能操作员进 行操作。一般而言，在传统的丝杠加工中，二十余道工序，螺纹磨 削时间占整个工艺流程的 2/3。
高速硬车：即以车代磨，通过旋转工件并用刀具切削工件表面来形 成所需的形状，使用设备为车床。由于磨削工艺会产生大量的切削 热，造成滚珠丝杠螺纹滚道部分退火，导致硬度下降，并且大量的 切削热量带来冷却润滑用的切削油的挥发，对环境造成污染，因此， 螺纹滚道硬车削作为一种新型螺纹滚道加工工艺出现，其方案最大 优势是加工效率高，绿色环保，并且避免因切削热引起的丝杠硬度 降低而引起的可靠性差问题的发生。丝杠螺纹滚道车削是连续的成 型切削，其轴向进给量根据螺距的不同而变化，会带来巨大的切削 力，从而要求刀具具备良好的强度、硬度和耐磨性的同时，还应具备良好的韧性。基于此，丝杠滚道硬车削采用立方氮化硼 CBN 或 PCBN 刀具材料。
旋风铣削：刀盘带动刀具作高速旋转运动，工件缓慢轴向进入，刀 具径向深入切削，使用设备为旋风铣床。原理上看，工件利用刀盘 上的多把均匀对称的高强度成型铣刀，借助于刀盘旋转轴线与工件 轴线存在的偏心距依次参与切削，且两轴线夹角为螺纹的螺旋角。 旋风铣削加工时，刀盘与工件同向旋转完成顺铣，工件每旋转一周， 刀盘沿着工件轴线移动一个螺纹导程的距离，从而实现整个螺纹滚 道的加工。旋风硬铣削相比于传统切削方式，减少了切削产生的热 量，提高切削速度，提高生产率，降低加工成本，与磨削相比，加 工效率是其 3~5 倍，与传统切削相比，刀具使用寿命提高 70%。
滚轧（冷轧）成形：以金属塑性变形理论为基础的丝杠滚轧成形技 术是高效、低耗、宜人化清洁生产的典范。其特点是：材料利用率 高、产品机械强度高（抗拉强度提高 20%～30%，疲劳强度提高 20%～40%，抗剪强度提高 5%）、使用寿命长、丝杠螺纹的尺寸和 导程精度具有较高的同一性、互换性、生产周期短和制造成本低等， 缺点是精度不甚理想。
行星滚柱丝杠和滚珠丝杠需要更高的加工精度要求。对于滚珠丝杆而言， 按 JIS 标准，轧制加工方式下，滚珠丝杠能实现的普遍精度是 C7（± 50um/300mm）以上，而磨削加工下的滚珠丝杠的最高精度可以达到 C0 级。而对于行星滚柱丝杠而言，其所要求的螺距误差更小，根据《行星 滚柱丝杠传动精度分析与设计》中所设计的螺纹副误差公差标准看，C3 级别下的误差为 5μm（300mm 螺纹长度内），对比于 THK 的产品，其 冷轧制滚珠丝杠精度在 C7 级别，C3 级别下的误差也较行星滚柱丝杠略 高。对于梯形丝杠而言，THK 滚轧梯形丝杠精度为±0.15mm/300mm， 切削轴梯形丝杠精度为±0.05mm/300mm，较滚珠丝杠和行星滚柱丝杠精度更低。
数控机床、机器人和汽车是丝杠主要下游需求。丝杠上游主要包括丝杆、 螺母、滚珠等核心零部件供应，以及钢材为主的原材料。材料端看，丝 杠采用的钢材特性差异大，特种合金调质钢成为高端市场材料端的技术 壁垒。国内标准行星滚柱丝杠采用的是马氏体不锈钢，满足一般强度、 硬度和耐磨性等要求，但是高硬度和抗腐蚀较难满足，国外合金调制钢 为原材料，具备较好的疲劳极限和抗多次冲击能力。下游看，丝杠下游 应用场景广泛，目前数控机床、机器人和汽车为最主要应用场景，2021 年滚动功能部件在行业内应用分别占比 54.3%、49.7%、34.3%和 30.9%。
全球滚珠丝杠市场规模超百亿元，国内市场规模有望持续增长。据秦川 机床公告数据，2015 年全球滚珠丝杠市场规模为 12.23 亿美元，2021 年 增至 17.5 亿美元，CAGR 为 6.15%，预计 2022 年有望达到 18.59 亿美元。 中国是滚珠丝杠重要的消费市场之一，国内市场占全球总市场份额约 20% 左右。2015 年我国滚珠丝杆市场规模为 14.31 亿元，2021 年增至 25.55 亿元，CAGR 为 10.14%，增速明显高于全球市场增速，预计 2022 年国 内市场规模有望达到 27.7 亿元。
行星滚柱丝杠受限于制造工艺难度高，生产设备有限，市场需求有限， 其市场规模远低于滚珠丝杠，远期看，行星滚柱丝杠导入汽车和人形机 器人产业链，市场空间有望大幅提升。根据 Persistence Market Research 的统计数据，2022 年滚柱丝杠全球市场规模接近 2.85 亿美元，预计 2023 年增长至 3 亿美元。
国内机床市场空间超千亿，传动部件占机床原材料采购成本约 20%。据 中国机床工具工业协会数据，2022 年我国金属加工机床消费额为 1843.6 亿元（274.1 亿美元），其中金属切削机床消费额 1240.3 亿元，金属成形 机床消费额 603.3 亿元。丝杠导轨作为机床的核心传动部件，其重要性 不言而喻。一般而言，不同类型和用途的机床所需的丝杠数量不同，如 车床，一般配置 2 根丝杆，分别是主轴丝杆和伺服丝杆。铣削机床和加 工中心等，则需要使用 3-4 个丝杆，分别是主轴丝杆、伺服丝杆、进给 轴丝杆和进给速度丝杆，以实现更为复杂的加工操作。根据科德数控和 纽威数控的原材料采购占比数据，传动类材料占比基本在 20%左右。
机床用丝杠市场规模 2030 年有望达到 47 亿元。考虑到传动部件还包括 主轴、导轨、轴承和齿轮等其他零部件，且国内机床市场正处于国产替 代和更新替换周期的驱动下，我们做出如下假设：1）假设丝杠的价值 量占机床价值量 2%；2）以 2022 年国内机床消费额为基准，预计每年 的行业规模增速为 3%。根据我们测算，2022 年机床用丝杠市场规模达 到 37 亿元，2030 年市场规模有望达到 47 亿元。
新能源汽车是主要的丝杠应用领域，刹车+制动+转向是核心。在传统燃 油车中，丝杠通常被视为一个可选项，主要被高端的欧洲汽车品牌采用。 随着新能源汽车渗透率的不断提升，由于其车辆内部结构和特性的变化， 以及汽车向智能化、尤其是 L4 级别以上的自动驾驶方向发展，丝杠逐 步成为不可或缺的标准配置。目前，在新能源汽车中，丝杠可以被应用 于刹车系统、制动系统以及转向系统等关键部位：1）转向：当前以 EPS 为主流，其中 R-EPS 采用滚珠丝杠。电机越靠近转向器，助力传动效 率越高，因而电动助力转向系统中 C-EPS、DP-EPS 到 R-EPS 转向性 能依次提升。R-EPS 工作噪音小，助力响应速度快，可实现更大助力， 但价格较贵，适用车型为中大型、大型车；2）制动：滚珠丝杠应用于 线控制动、EMB。传统液压机械制动以及电子液压制动，制动时其液压 管路油压上升与下降都会存在迟滞现象，导致制动延缓、事故率高，并 且复杂的液压管路也增加布置 ABS、ESP 等控制装置的难度。EMB 具 有结构简单、体积小、响应速度快、控制精度高、节能环保等优点，更 容易进行集成，简化结构、节省空间。3）驻车：EPB 用滚珠丝杠副用 于中高档汽车电子驻车系统。目前市场 EPB 制动钳主要采用两种传动方 式，一种是螺纹传动，另一种是滚珠丝杆转动，与传统螺纹传动相比， 使用滚珠丝杠的 EPB 具备效率高、寿命长、运动平稳等优势。EPB 用滚珠丝杠副是电子驻车系统中的核心传动部件，质量关乎整套电子驻车系 统的性能。
车用丝杠市场空间有望超过 50 亿元，制动和转向系统是主要需求。根 据新能源汽车所用丝杠需求，我们对车用丝杠市场进行测算，并做出如 下假设：1）2023 年根据乘联会数据，乘用车全年销量 2170 万台，新能 源车销量 774 万台，乘用车按照每年 1%增长速度计算，新能源渗透率 到 2025 年提升到 48%；2）仅考虑新能源汽车使用丝杠，且制动系统和 转向系统使用滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两种，驻车系统使用滚珠丝杆； 3）假设行星滚柱丝杠单价 1500 元，滚珠丝杠单价 400 元，并逐年降低。 整体看，制动系统用丝杠市场规模最大，2025 年有望达到 55 亿元，车 用丝杠合计市场规模 2025 年有望超 70 亿元。
人形机器人产业化进程加速，行星滚柱丝杠是核心零部件。随着特斯拉 发布人形机器人 Optimus 以来，国内外产业资本加速拓展人形机器人领 域布局。国外方面，三星于 2023 年年初向本土机器人厂商 Rainbow Robotics 投资 590 亿韩元（约 3.19 亿人民币）；OpenAI 领投挪威机器人 公司 1X Technologies；谷歌也推出了具备自我改进与提升功能的机器人 AI 智能体 RoboCat。国内方面，小米、傅里叶、宇树、智元、开普勒等 厂商相继推出其人形机器人产品。从零部件角度看，作为人形机器人的 核心零部件之一，丝杠主要用于直线关节部位，将电机的旋转运动转换 为直线运动，而行星滚柱丝杠具有高承载、小体积、快响应、低噪音、 高精度等优点，非常适合在人形机器人中使用。特斯拉人形机器人中， 其线性执行器中就使用了反向式行星滚柱丝杠。
人形机器人放量有望为丝杠市场带来百亿增量空间。根据特斯拉 Optimus 的参数，1 台人形机器人拥有 14 个线性执行器，我们做出如下 假设：1）预计一台人形机器人其需要用到 4 个梯形丝杠和 10 个行星滚 柱丝杠；2）预计人形机器人远期销量能达到 100 万台；3）假设行星滚 珠丝杠单价远期随着国产化进程提速，价格降至 1000 元。整体看，人 形机器人放量将为丝杠市场带来百亿增量。
供需缺口明显，经济型产品竞争加剧导致使价格下滑。据华经产业研究 院数据，国内滚珠丝杠供需缺口持续增长，2021 年达到 423 万套，2022 年或增至 448 万套。在滚珠丝杠市场，国内竞争加剧不断加剧，外资品 牌在经济型产品市场份额不断发力，滚柱丝杠行业市场价格总体呈现出 明显的下降态势。国内滚珠丝杠价格从 2014 年 225 元/套的均价下降至 2021 年的 181 元/套。
外资品牌占据绝对主导地位，行业集中度高。为了实现高速或精密的加 工，除在机床设备的结构刚性进行加强设计外，必须同时具备高速主轴 系统和高速进给系统，才能达到材料切削过程的高速化，这对于企业的 制造能力和设计能力都有较高的要求，从市场竞争格局看，目前全球主 要的滚珠丝杠厂商有 NSK、THK、SKF 等欧美日和中国台湾企业，CR5 市占率达到约 46%。而在加工难度更高的行星滚柱丝杠市场，根据王有 雪《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》的数据，2022 年，GSA（含旗 下 Rollvis）公司在中国市场份额超 50%，处于绝对主导地位。
国内企业在行星滚柱丝杠的制造上仍存在较大差距，国产替代进程有望 提速。国内企业行星滚柱丝杠产品布局较为稀缺，且在导程精度、最大 动载荷、最大静载荷等性能方面与国外同规格产品存在差距。国外领先 企业在精度方面能够实现各种精度的全覆盖，在最大动载荷、最大静载 荷方面，国内的行星滚柱丝杠产品显著低于国外同规格产品，长期看， 行星滚柱丝杠国产替代空间大。
磨床是丝杠加工的核心技术壁垒，其精度直接决定丝杠精度。磨床通过 其高度精密的磨削技术，能够确保丝杠具有一致的螺纹形状和尺寸，从 而提供可靠的性能和稳定的运动控制。磨床的精度直接影响着丝杠的轴 向精度、径向精度以及整体的运动平稳性。精准的磨床工艺能够确保丝 杠的每个螺纹都具有高度一致的规格，防止误差和振动，从而提高了系 统的可靠性和工作精度，因而磨床其高精度的加工能力直接决定了丝杠 最终的性能和质量。
从零件构造角度看，丝杠是牙型角为 90°的多头螺纹，行星滚柱是具有 相同牙型角的单头螺纹，而螺母具有与丝杠相同头数和牙型的内螺纹， 因而不同部件涉及磨床类型存在差异，主要设备需用到内螺纹磨床、外 螺纹磨床、外圆磨床（进行丝杠轴外圆表面加工）、中心磨床（丝杠轴 中心孔加工）、平面磨床（螺杆端面加工）等。 外螺纹磨床：外螺纹磨床来加工的精密螺纹结构是行星滚柱丝杠的核 心部分，其螺纹的加工需要极高精度。以外圆磨床对丝杠轴外圆表面进 行精密磨削来确保表面光滑和尺寸精确；使用中心磨床对丝杠轴中心孔 进行精密加工来确保孔的尺寸和位置的精准性；使用平面磨床处理螺杆 轴的平面部分或底座，确保整体的平面度和尺寸准确。每次加工螺纹前， 先加工丝杠外圆，然后以丝杠外圆和两端中心孔作为定位基面加工螺纹， 逐步提高螺纹加工精度。行星滚柱的加工设备与丝杠加工设备近似，其 采用外螺纹结构，加工过程中亦涉及外螺纹磨床。行星滚柱需要与螺母 的内螺纹相匹配，确保传动系统的性能和精确性。
海外厂商在外螺纹磨床上技术领先。瑞士的 Tornos、Studer，德国的 Schütte、Kapp Niles，日本的三菱重工等厂商在外螺纹磨床领域都拥有 显著的技术实力和市场份额。这些公司通过不断创新，提升外螺纹磨床 的精度、效率和可靠性，以满足制造行业对高精密内螺纹加工的不断提 升的需求。
内螺纹磨床：滚柱螺母是具有内螺纹结构的零件，在加工过程中会使用 到内螺纹磨床。内螺纹磨床用以磨削螺纹、滚珠螺母、滚柱螺母和其他 精密螺母等，以确保内螺纹的精确性和表面质量，其结构与普通内圆磨 床相似。滚柱丝杠螺母的内螺纹需要与丝杠的外螺纹相匹配，以实现传动系统的运动控制和精确性，故内螺纹磨床对于螺母的制造至关重要， 精密数控内螺纹磨削技术是加工高精密滚柱丝杠螺母的重要保证。
内螺纹磨床精密度效率不断提升，先进设备集中于欧美。内螺纹磨床的 设计和制造正不断优化，实现更高的精密度和生产效率，以满足高精密 度零部件需求。瑞士 Reishauer 公司，英国公司 HOLROYD，美国公司 DRAKE，意大利公司 SMPUTENSILI、英国 MATRIX、德国 ELB-Schliff （旗下磨床品牌包括 aba 公司等）公司和克林贝格公司等都是世界著名 的数控螺纹磨床生产和研发厂商，他们的产品代表着数控螺纹磨床的最 高水平和发展方向。瑞士 Reishauer 公司设计研发的 CNC 螺纹磨床 RG500 作为典型的数控内螺纹磨床广受机床行业的关注。
数控系统直接影响磨床效率与精度。数控性能优劣直接影响机床稳定性 和精度水平，是磨床最核心的零部件。数控系统通过计算机编程和自动 化控制，使得磨床可以在一定程度上完成更为精确和高效的加工过程。通过精确的数 值控制，磨床能够在复杂的几何形状和细微尺寸要求下进行加工，实现 更精细的表面质量和更准确的尺寸控制。德国的西门子、日本的发那科 和三菱电机等占据数控系统行业前沿，在全球市场份额领先，国内企业 如华中数控、广州数控也逐渐崭露头角，积极向高端数控系统攻关。从 各家海外磨床龙头的产品精度看，日本三井精机的 GSE600i 系列内螺纹 磨床砂轮最大圆周速度可达 1800m/min，工作台快进速度可达 25.5m/min， 主轴转速达 100 m/min。美国 Drake 内螺纹磨床 DRAKE GS:TI 系列磨床配置了发那科系统，其精度达到世界领先水平，其外螺纹数控机床 GS:TE 系列实现磨削高精度，直接驱动工作头可提供≤10 弧秒的分度精度。
磨削主轴对整体磨床设备的磨削精度也会产生重要影响。磨削主轴的旋 转精度直接关系到磨削工具的运动精度，若主轴有轴偏差或者不稳定， 将导致加工精度下降。磨削主轴的振动和震动会直接传递到磨削刀具和 工件上，会导致表面质量不均匀和形状偏差。主轴的轴向刚度对于在磨 削过程中保持一致的切削深度和切削力非常关键。较低的轴向刚度可能 导致工艺流程中的深度变化，从而影响加工精度。磨削主轴的设计和制 造质量直接决定了磨床的整体性能和加工精度。在高精度磨削领域，采 用先进材料和精密加工工艺的主轴能够显著提高磨床的精度和稳定性。
国内磨床企业奋起直追，国产替代进程有望提速。丝杠受益人形机器人 行业蓬勃发展，也带动了国内磨床行业的发展。虽然在内螺纹磨床结构、 返向装置在螺母内的对中安装精度、大螺旋升角的干涉、多头内螺纹的 分度精度等方面国内磨床与国际先进产品尚存在不小差距，但磨床在运 作效率、精度等方面也均已取得一定突破，存在一定国产替代的基础。 国内数控螺纹磨床的骨干企业汉江机床、广州敏嘉、上海机床等自主设 计和研发了具有世界先进水平的内螺纹磨削加工中心，此外日发精机、 华辰装备、浙海德曼等机床公司也开始切入丝杠磨床赛道。上海机床厂自主开发的 SK7420 全新系列数控丝杠磨床，可磨削 P1 级甚至更高精度 的滚珠丝杠，为我国高精度丝杠副的生产制造提供有效的设备保障。秦 川机床子公司汉江机床SGK7432×20/1 高精度数控丝杠磨床磨削精度能 稳定达到 P1 级。
滚压成形加工在效率、产品一致性和产品常规使用的寿命上具备优势。近年来 滚压成形方法在加工齿轮、螺纹、花键等方面取得了显著的进展。滚压 丝杠加工工艺中，核心流程包括毛坯磨制、精密轧制、热处理、螺纹滚 道抛光等。轧制丝杠常规使用的寿命较长、机械化精度和强度高，冷成型技术 本身就要求高质量的材料，高精度的工艺，经过机械冷轧后，滚道面的 硬度、密度、内部组织结构得到强化，之后进行热处理，使整个丝杠的 稳定性更强，延长了丝杠的使用寿命，且冷轧加工属冷加工工艺，故而 能够保证轧制过程中钢材的完整性，对环境污染较少。相较于传统机加工，其有点在于：生产效率较传统车削加工提高近十倍，尤其在采用自动上下料机构的情况下，生产效率更为突出；在加工过程中能够实现优 良的尺寸一致性；而且表面质量较高，且保持相对稳定。
冷成型粗加工与磨削精加工的结合有望优化丝杠加工的工序。磨削丝杠 通过热处理、车削、磨削等多道工序，逐一完成制造过程，使其制造精 度达到高水平。而冷成型滚珠丝杠采用冷加工工艺模具制造，具有自动 化程度高、批量生产成本低、效率高的特点，但由于制造精度相对较低， 大致停留在 P7 级左右，因而主要用作设备中的传动部件，而不适用于 要求极高精度的定位应用。冷成型粗加工和磨削精加工的协同作用，既 保障了生产效率和成本效益，又实现了对制造精度的高度追求。这一优 化组合有望为丝杠的加工提供了一种综合而有效的解决方案，使其在高 精度设备中发挥卓越性能。
外螺纹加工：冷滚压成形工艺主要集中于楔横轧和径向滚压。楔横轧是 利用两个带有楔形模具（轧轮、平板式等）配合运动，逐步将坯料轧制 成变断面回转体轴类零件，广泛应用于汽车、内燃机以及发电机等行业 之中。楔形模具一般由切入段、成形段以及精整段三个区域段构成，该 工艺已应用于相关齿形轴的生产加工。
径向滚压可运用于滚柱制造。径向滚压成形工艺在制造花键、齿轮和螺 纹等产品方面得到了广泛应用。根据滚压轮的数量，该工艺可分为单轮 滚压、双轮滚压和三轮滚压。由于单向压入坯料可能导致工件翘曲，使 得成形精度较低，而在三轮滚压工艺中，三个滚压轮均匀布置，成形工 件受力平衡且均匀，这种方式适用于管材类零件的成形。目前更为广泛 采用的是双轮滚压工艺。在双轮滚压中，两个滚压轮布置于成形工件两 侧，同步、同向旋转并同时相对进给。这种布置确保了工件受到均衡的 力，提高了成型精度。双轮滚压在制造花键、齿轮、螺纹等产品时表现 出高效和高精度的特点。在行星滚柱丝杠的滚柱成形过程中，工件自由 放置在支承上，利用重力约束于两滚压轮之间，加工过程中，各项参数 完全一致的两滚压轮同向旋转，并利用同步带带动螺母丝杠机构实现径 向进给运动，依靠摩擦力提供摩擦力矩带动工件旋转，并逐步压入，形 成最终齿形。
设备端：滚压机是滚压工艺核心设备。滚压工艺所用设备包括滚压机、 模具及其他辅助设备，其中滚压机是执行滚压工艺的核心设备，它通常 包括滚轮或滚筒，能够施加高压力并旋转，从而在材料表面形成螺纹结 构。滚压机的类型和规格会根据具体的应用和工件要求而变化。滚压轮 是冷滚压成形设备中最重要的零部件，它的几何形状、尺寸精度以及力 学性能直接决定成形件的质量水平。
新兴行业需求助推滚压工艺发展，高精尖滚压装备依赖进口。随着我国 机器人、汽车等行业的迅速发展，大量的花键、齿轮和蜗杆等采用了冷 滚压成形工艺加工，但高端的成形设备主要依赖于国外进口。如 Anderson-Cook 公司的两滚压轮径向滚压设备，能加工出精度 ISO 标准 下 6~7 级的花键（α=30°、m=1.5 和 α=20°、m=2），同时生产效率能达 到 15 件/min 左右;美国 Kinefac 公司推出的高精密花键轴三滚压轮轴向 滚扎设备，能加工出精度等级达到 ISO 标准下 5 级的大模数花键（α=30°、 m=3 和 α=20°、m=2.5 两种类型）。此外，PROFIROLL（宝飞螺） 、 Osterwalder（奥斯特瓦德）等均为先进的滚压机供应商。
内螺纹加工：冷挤压塑性成形工艺，是利用金属的塑性进行塑性成形的 方法，此方法通过在工件相应位置上预制加工底孔，然后挤压丝锥的挤 压锥部旋进底孔，锥部棱脊部分挤压工件材料，使得材料沿丝锥牙侧流 动，层层挤压形成螺纹。由于采用非切削方式，材料晶相纤维没有被破 坏，保持连续状态，加之冷作硬化作用，与传统的内螺纹切削方法相比， 挤压形成的螺纹强度和硬度更高，光洁度更好，没有切削时产生的乱扣 缺陷，在很大程度上提高了内螺纹的质量，目前在航空航天、石油钻井、 船舶运输等领域中均有应用。
内螺纹冷挤压塑性工艺较切削等工艺，在强度、硬度、生产效率、成本 上具备优势。我国研制的冷挤压件一般尺寸精度可达 8～9 级，仅次于 精抛光表面。由于冷挤压采用金属材料冷变形的冷作强化特性，制件螺 纹强度有较大提高，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 0.15 mm，硬度提高 40%以上。且冷 挤压件材料利用率通常能够达到 80%以上，冷挤压方法生产机械零件的 效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切 削加工提高几倍、几十倍、甚至百倍。
设备端：内螺纹冷挤压设备美日领先，国内企业加速替代。美国国民机 械公司专注于生产专用的冷成形设备，其 FORMAX 系列的专用成型机 具有 2 至 7 个工位，极高的效率，每分钟冲次可达 100 至 200 次。国内 冷成型设备制造领域已有所突破，特别是在冷锻装备上，国内企业上海 春日机械、思进智能等均在冷锻、冷挤压等冷成型设备上有所突破，专 业设计制造用于紧固件和其它异形金属零件成形用冷镦机、螺纹搓丝机 等设备和模具。思进智能的多工位中、高端冷成形装备部分产品实现了 进口替代，其产品技术性能处于国内同类产品领先水平，产品的部分技 术性能达到或接近国际领先水平，2023 年思进智能已成功研发出 SJBP-88S 复杂零件冷成形机、SJBP-108S 多连杆精密零件冷成形机、 SJBP-138L 及 SJBP（H）-168S 精密智能冷镦成形装备等八工位系列机 型。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
