1.1 滾珠絲杠傳動(dòng)效率最高,行星滾柱絲杠綜合性能較強(qiáng)
絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。常見的絲杠產(chǎn)品包括滑動(dòng)絲杠、滾珠絲杠、行星滾柱絲杠等?;瑒?dòng)絲杠是最普通的絲杠機(jī)械,產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,在機(jī)床上應(yīng)用廣泛;滾珠絲杠適用于精密傳動(dòng),產(chǎn)生點(diǎn)接觸滾動(dòng)摩擦,與滑動(dòng)絲杠相比摩擦力小、傳動(dòng)效率高、精度高,但其制造工藝較復(fù)雜,成本較高;行星滾柱絲杠是最新一代的精密傳動(dòng)裝置,由絲杠、螺母、滾柱、內(nèi)齒圈、行星架等組成,產(chǎn)生線接觸滾動(dòng)摩擦,標(biāo)準(zhǔn)式行星滾珠絲杠傳動(dòng)原理為:配套動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),通過嚙合行星滾柱,將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺母的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
滾珠絲杠,又名滾珠絲杠副,是工業(yè)精密機(jī)械中常用的傳動(dòng)元件,其主要結(jié)構(gòu)包括滾珠絲杠、滾珠螺母、滾珠三部分。滾珠絲杠軸為螺母運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向軸,其表面具有螺紋,滾珠在螺紋內(nèi)運(yùn)動(dòng)。螺母由預(yù)壓片、反向器、防塵器等組成,是直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)體,帶動(dòng)滾珠循環(huán)機(jī)制;其端部密封件用于封裝潤(rùn)滑零件、防止異物進(jìn)入。滾珠是利用低摩擦系數(shù)維持整個(gè)零部件運(yùn)轉(zhuǎn)的媒介,存在外循環(huán)、內(nèi)循環(huán)兩種循環(huán)方式。
滾珠絲杠的核心傳動(dòng)原理是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),化滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦。當(dāng)絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí),絲杠的旋轉(zhuǎn)面通過滾珠的循環(huán)滾動(dòng)推動(dòng)螺母軸向移動(dòng),化旋轉(zhuǎn)為線性;滾珠的滾動(dòng)使得絲杠和螺母之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動(dòng)摩擦,化滑動(dòng)為滾動(dòng),大大提升傳動(dòng)效率。
行星滾柱絲杠屬于新一代螺紋絲杠的高精尖分支,綜合性能強(qiáng)且應(yīng)用前景廣闊。
行星滾柱絲杠通過嚙合滾柱產(chǎn)生線接觸滾動(dòng)摩擦,大幅增加絲杠傳動(dòng)過程的接觸面和受力面,與以往用于精密傳動(dòng)的滾珠絲杠相比,在傳動(dòng)效率損失不大的前提下,又同時(shí)具備了高轉(zhuǎn)速、高載荷、高剛度、高范圍導(dǎo)程以及更小體積、更低噪音、更方便維護(hù)拆卸等特點(diǎn)。目前已經(jīng)在航空航天、武器裝備、核動(dòng)力等全球高精尖領(lǐng)域運(yùn)用,同時(shí)在機(jī)床、汽車 ABS 系統(tǒng)、石油化工等民用場(chǎng)景下也存在廣泛的應(yīng)用需求。
1.2 行星滾柱絲杠在標(biāo)準(zhǔn)式基礎(chǔ)上衍生的四種類型比較
行星滾柱絲杠在標(biāo)準(zhǔn)式基礎(chǔ)上衍生出四種類型,它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和功能上具有不同的特點(diǎn),從而適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
反向式:螺母和螺釘?shù)墓δ芊崔D(zhuǎn),結(jié)構(gòu)更緊湊,適用于小行程、需要一體化設(shè)計(jì)工作場(chǎng)景。反向行星滾柱絲杠工作原理與標(biāo)準(zhǔn)滾柱絲杠相同,但螺母和螺釘?shù)墓δ芊崔D(zhuǎn)。滾子在螺母內(nèi)軸向移動(dòng),螺母被拉長(zhǎng)以允許傳動(dòng)軸的全行程,以較小的導(dǎo)程實(shí)現(xiàn)更高的額定負(fù)載,空間利用率高,但行程受螺母螺紋長(zhǎng)度限制。
循環(huán)式:循環(huán)滾柱設(shè)計(jì),適用于高精度,中低速運(yùn)行工作場(chǎng)景。 循環(huán)式行星滾柱絲杠是循環(huán)滾柱設(shè)計(jì),由一套凸輪來控制滾柱在螺母內(nèi)軸向移動(dòng),滾柱繞絲杠旋轉(zhuǎn)一圈后返回到原來的位置。由于最小螺距與循環(huán)滾柱設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)非常高的定位精度、分辨率與極高的負(fù)載力。
差動(dòng)式:具備差動(dòng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),導(dǎo)程更小,適用于傳動(dòng)較大、負(fù)載較高的工作場(chǎng)景。差動(dòng)式行星滾柱絲杠采用分段環(huán)槽結(jié)構(gòu),具備差動(dòng)運(yùn)動(dòng),可以獲得比一般行星滾柱絲杠更小的導(dǎo)程與更大的減速比,且因其緊湊的結(jié)構(gòu)可以使機(jī)電作動(dòng)器具有更高的功率體積比和功率質(zhì)量比。
軸承環(huán)式:結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本較高,適用于承載能力要求極高的工作場(chǎng)景。
增加滾子軸承、端蓋、殼體等部件,承載能力大,在高負(fù)載的情況下,大大減少磨損率,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高。
2 行業(yè)持續(xù)增長(zhǎng),外資占據(jù)高端市場(chǎng)
2.1 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng),國(guó)內(nèi)供需缺口持續(xù)擴(kuò)大
滾珠絲杠可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化,廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器,下游包括機(jī)床、機(jī)器人、注塑機(jī)等。從空間來看,滾珠絲杠在新能源汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子駐車系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)具有應(yīng)用場(chǎng)景。新能源汽車行業(yè)在汽車銷量逐年上升的同時(shí)追求全電控、智能化發(fā)展,滾珠絲杠的下游需求有望持續(xù)增長(zhǎng)。此外,在機(jī)床應(yīng)用中,全球機(jī)床廠供應(yīng)鏈中主軸、擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)等功能部件多數(shù)機(jī)床廠出于定制化或差異化考慮傾向于自產(chǎn)自制,但滾動(dòng)功能部件基本全部外采,伴隨機(jī)床產(chǎn)業(yè)升級(jí)滾動(dòng)功能部件需求持續(xù)增長(zhǎng)的確定性較強(qiáng)。
在下游應(yīng)用場(chǎng)景中,目前國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人與生產(chǎn)線以及航空航天與軍工為滾珠絲杠最主要應(yīng)用去向。隨著全球智能化產(chǎn)業(yè)鏈的不斷擴(kuò)張和自動(dòng)化在各領(lǐng)域的不斷深入,人型機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)機(jī)械等下游領(lǐng)域有望不斷為包括滾珠絲杠在內(nèi)的滾動(dòng)功能部件提供市場(chǎng)增量,從而擴(kuò)大滾動(dòng)功能部件的總市場(chǎng)空間。
2022 年全球滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模破千億元人民幣,我國(guó)滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模以約 10%的 CAGR 增長(zhǎng),仍存在較大需求缺口。根據(jù) Zion Research Market 數(shù)據(jù),2022 年全球滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模約為 230.5 億美元,預(yù)計(jì) 2030 年全球市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá) 405.78億美元,2022 至 2030 年期間 CAGR 約 7.32%,增長(zhǎng)空間可觀。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),我國(guó)滾珠絲杠市場(chǎng)規(guī)模約占全球總量的 20%,是滾珠絲杠的主要消費(fèi)市場(chǎng)之一。
2010 年 10 月 10 日,國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》(國(guó)發(fā)〔2010〕32 號(hào)),將高端裝備制造納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)?!吨袊?guó)制造 2025》提出要加快高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域的主要功能部件的產(chǎn)業(yè)化以及加快關(guān)鍵零部件的突破。高端裝備制造業(yè)將成為我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要支撐,加大自主研發(fā)力度,突破關(guān)鍵技術(shù)問題,深化國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用成為未來趨勢(shì)。根據(jù)秦川機(jī)床 2023 年 5 月投資者關(guān)系活動(dòng)表,我國(guó) 2022 年滾珠絲杠及滾動(dòng)直線導(dǎo)軌市場(chǎng)容量約為 145 億元,預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 10%以上。
高端制造行業(yè)逐漸興起,政策利好或帶來重大突破。近年來,工信部等國(guó)家部門不斷推行相關(guān)政策,促使高端裝備制造業(yè)等發(fā)展:22 年 3 月工信部發(fā)布《先進(jìn)裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃(2022-2024 年)》,提出了先進(jìn)裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等具體目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù),推動(dòng)裝備制造業(yè)等升級(jí)轉(zhuǎn)型。23 年 2 月,工信部發(fā)布《智能檢測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2023—2025 年)》的通知》,要求各企業(yè)著力突破核心技術(shù)、增強(qiáng)高端供給、加快推廣應(yīng)用、壯大市場(chǎng)主體,打造適應(yīng)智能制造發(fā)展等智能檢測(cè)裝備產(chǎn)業(yè)體系,以支撐制造強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)建設(shè)。高端制造行業(yè)包括智能制造裝備、軌道交通裝備、航空航天裝備、汽車制造裝備等子行業(yè),對(duì)滾珠絲杠有廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用場(chǎng)景不斷開發(fā)擴(kuò)大,滾珠絲杠也將極大拓展應(yīng)用范圍,預(yù)計(jì)到 2026 年,全球滾珠絲杠應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饕杏诤娇?、能源和公共事業(yè)。
近年來國(guó)內(nèi)滾珠絲杠下游需求穩(wěn)步增長(zhǎng),產(chǎn)能端加速釋放。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),我國(guó)滾珠絲杠產(chǎn)需量缺口在 2014 年至 2021 年間由 307 萬套上升至 423萬套,預(yù)估 2022 年產(chǎn)需缺口為 455 萬套。2014 年至 2021 年產(chǎn)需缺口年均復(fù)合增長(zhǎng)率約為 4.69%。當(dāng)前國(guó)內(nèi)滾珠絲杠產(chǎn)量增長(zhǎng)速度逐漸趨于放緩,由高速增長(zhǎng)逐步轉(zhuǎn)型為中低速增長(zhǎng),需求量繼續(xù)保持增長(zhǎng)。未來隨我國(guó)高端裝備制造業(yè)不斷發(fā)展,相關(guān)設(shè)備的精密傳動(dòng)需求將不斷加大,對(duì)于滾珠絲杠大規(guī)模量產(chǎn)能力的要求將進(jìn)一步提高,或繼續(xù)刺激產(chǎn)能釋放。
2.2 歐日占據(jù)主導(dǎo)地位,國(guó)內(nèi)企業(yè)仍有較大競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)展空間
國(guó)內(nèi)外滾珠絲杠發(fā)展階段迥異,國(guó)內(nèi)滾珠絲杠生產(chǎn)技術(shù)正逐步向國(guó)外追趕。滾珠絲杠在國(guó)外起步早、發(fā)展快、技術(shù)成熟,歐美市場(chǎng)在高端滾珠絲杠制造領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位,并且廣泛應(yīng)用到各領(lǐng)域;在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速,市場(chǎng)規(guī)??焖僭鲩L(zhǎng),同時(shí)國(guó)內(nèi)大型生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)逐漸提升,有望逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。
目前日本和歐洲滾珠絲桿企業(yè)占據(jù)全球約 70%的市場(chǎng)份額,CR5 約占市場(chǎng)份額46%。全球主要滾珠絲杠廠商有日本企業(yè) NSK、THK,德國(guó)博世力士樂、舍弗勒等。國(guó)內(nèi)廠商包括中國(guó)臺(tái)灣的 HIWIN、銀泰等,以及中國(guó)大陸的南京工藝、秦川機(jī)床(江漢機(jī)床)等。國(guó)內(nèi)滾動(dòng)部件制造廠商眾多,但許多正在研發(fā)的企業(yè)處于未上市階段,且多數(shù)僅具備單件生產(chǎn)能力,和海外大規(guī)模量產(chǎn)企業(yè)仍有較大差距。
從我國(guó)滾動(dòng)功能部件的市場(chǎng)格局來看,日本、歐洲企業(yè)主導(dǎo)高端市場(chǎng),中國(guó)企業(yè)仍有進(jìn)步空間。根據(jù)金屬加工公眾號(hào)信息,在國(guó)內(nèi)滾動(dòng)功能部件的高端市場(chǎng),日本、歐洲企業(yè)合計(jì)市場(chǎng)份額高達(dá) 90%,中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣企業(yè)市場(chǎng)份額各約5%,高端市場(chǎng)格局相對(duì)集中;在國(guó)內(nèi)滾動(dòng)功能部件的中低端市場(chǎng),中國(guó)大陸廠商的市場(chǎng)份額約 30%。根據(jù)王有雪論文《E 公司滾柱絲杠產(chǎn)品營(yíng)銷策略研究》論述,2021 年我國(guó)行星滾柱絲杠市場(chǎng)供應(yīng)量排名前四的廠家分別是 Rollvis(瑞士)、GSA(瑞士)、Ewellix(瑞典)Rexroth(德國(guó)),市占率分別為 26%、26%、14%,12%。對(duì)于行星滾柱絲杠,由于市場(chǎng)較小,行業(yè)參與者主要以海外企業(yè)為主,主要包括斯凱孚、GSA、伊維萊(Ewellix)、博世力士樂等。