（报告出品方/作者：东北证券，韦松岭、乐智华）
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。
以滚柱相对于丝杠、螺母的运动关系划分，行星滚柱丝杠可分为标准式/反向式/循环式/差动式/轴承环式滚柱丝杠。其中标准式行星滚柱丝杠应用场景最广泛，其他几类滚柱丝杠均以其为基础根据应用场景的需求而相应演变：
反向式结构紧凑，但螺母加工难度高：螺母为动力输入构件绕轴线旋转，并通过螺纹啮合驱动滚柱围绕丝杠做行星运动，并实现滚柱与丝杠沿轴线的直线运动。在该结构下，可将螺母作为电机转子，从而实现电机和直线传动机构融合设计，形成空间紧凑的一体式机电作动器。在该结构下，由于螺母长度决定行程，而较长螺母的内螺纹磨制难度高，因此反向行星滚柱丝杠的制备壁垒较高。
循环式精度高，适用于医疗器械、光学仪器等领域：相较于标准式行星滚柱丝杠，取消滚柱端齿与内齿圈，增加了让滚柱在螺母内旋转一周后回到初始位置的凸轮环结构，螺母在凸轮处沿轴向开有凹槽。滚柱在丝杠和螺母间做行星运动和轴向移动，每绕丝杠轴线旋转一周就在凸轮作用下被挡入螺母凹槽与丝杠脱开啮合，然后在轴向上回到起始位置再重新与丝杠啮合并循环往复。其核心优势在于小导程，多数国外制造商可生产低至1mm导程的产品，适用于医疗器械、光学精密仪器等领域。
差动式结构简单，造价更低，但不适用于重载场景：相较于标准式行星滚柱丝杠，取消滚柱端齿与内齿圈，结构更简洁。螺母内无螺纹，但其两端有凹槽。滚柱的螺纹直径呈“中间大、两头小”，以实现与丝杠、螺母凹槽的啮合。在该结构下，螺母与丝杠的直径不同，因此螺母与丝杠的移动速度不同。差动式行星滚柱丝杠的结构简单，造价更低，但也更易打滑，在重载情况下易出现可靠性降低等问题。
轴承环式承载力极高、传动效率高，但结构复杂、制造成本高：结构与行星滚柱丝杠类似但更复杂，滚柱呈环槽状，只绕轴线固定转动；螺母上去除内齿圈并增加壳体、端盖、推力圆柱滚子轴承等部件，推力圆柱滚子轴承显著提升承载力并减少各构件间的磨损，适用于石油化工等场景。
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，南京工艺于年首次引进德国公司的PW型CNC旋风硬铣机床，年又引进其PWHP型mmCNC旋风硬铣机床，可精铣出整体mm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mm。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35CrMo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，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。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CarlBrunoStrandgren于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。WilliamJ.Roantree和OliverSaari分别在年和年设计了差动式行星滚柱丝杠和轴承环型行星滚柱丝杠。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。年，美国LemorP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PowerJack、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