（报告出品方：光大证券）
【1、 丝杠：高性能线性传动机构】
特斯拉机器人Optimus的躯干有28个关节，旋转关节和直线关节各14个。每个关节都对应着1个执行器。为了能大批量生产，特斯拉最后挑了6类执行器用在这28个关节上。这6类执行器里，旋转执行器和线性执行器各有3类。线性执行器的重量在0.36kg到2.20kg之间不等，推力分别是500N、3900N和8000N，还配备了反向式行星滚柱丝杠，有高效率、紧凑性佳、耐用性强这些特点。
在线性执行器里，是反向式行星滚柱丝杠把电机的旋转运动转变成直线运动的。跟其他直线机构比起来，丝杠在承载能力、位置的可控性、抗冲击性等好些方面都更有优势。
丝杠产品常见的有滑动丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠这些。丝杠轴上有圆弧形状的轮廓，这个轮廓顺着一定的升角（导程角）在轴上盘旋。基本的原理就是，把丝杠轴的一端或者两端沿着轴向固定住，用电机带动丝杠转动，螺母就会朝着丝杠轴线的方向动起来。在这之中，滑动丝杠造起来成本最低，结构也简单，靠螺母和丝杠之间的滑动来让螺母动，这样就产生了滑动摩擦；滚珠丝杠和行星滚柱丝杠呢，把滑动摩擦变成了滚动摩擦，传动效率就大大提高了。
【2、 滚珠丝杠：广泛应用，高效精准】
2.1、 滚珠丝杠和滑动丝杠比起来更有优势。
丝杠和螺母上都被磨出圆弧形螺旋槽的滚珠丝杠，把两个这样的螺旋槽对合起来就会形成螺旋线滚道。电机带动丝杠转动的时候，滚珠就在管道里循环运动，而且螺旋槽的两端设置有回旋引导装置，这能让滚珠循环流动。滚珠丝杠的摩擦系数是0.003到0.01，梯形丝杠的摩擦系数则在0.1到0.2。所以呢，因为滑动摩擦系数比滚动摩擦系数高得多，滑动丝杠为了不产生太多热量，转速通常不超过3000RPM，而滚珠丝杠却能达到10000RPM。
滚珠丝杠依据滚珠的循环方式以及是否一直和丝杠接触，主要能分成内循环和外循环这两种。外循环按照结构差异又可分为端部导流式、管循环式、端盖式。和滑动丝杠比起来，滚珠丝杠有下面这些特点：1. 传动效率高：多数滚珠丝杠传动效率能到90%以上，可滑动丝杠的传动效率大多在70%以下。2. 传动精度和定位精度高：不会有爬行的情况，运动起来很平稳。3. 能预紧：给它适当预紧的话，可以把丝杠和螺母之间的螺纹间隙去掉，反向的时候能消除空行程死区，接触刚度和传动精度都能提高。4. 运动可逆：丝杠和螺母都能当主动件，既能把旋转变成直线运动，也能把直线运动变成旋转运动。5. 摩擦损失小：用的是滚动的方式，东西磨损小，使用寿命长。不过制造工艺复杂，对滚珠丝杠和螺母原件的加工精度和表面粗糙程度要求高，这样制造成本就上去了。要说明的是，滚珠丝杠因为传动效率比较高，一般自己没有自锁性，滑动丝杠有一定自锁性。所以丝杠用在竖直方向的时候，滚珠丝杠断电后可能会滑落，得有额外的结构或者器件来保证安全。
2.2、滚珠丝杠有内循环和外循环这两大类型。
滚珠得无限循环，所以所有滚珠丝杠都至少包含丝杠轴、螺母、滚珠、循环部件这四大零部件。按滚珠的循环方式来分，有内循环和外循环这两大类型：（1）内循环是在相邻导程之间借助马蹄状导流器来循环的，这种方式适合小导程。（2）外循环又可以分成端部导流式、管循环式、端盖式。端部导流式是在螺母端部顺着丝杠螺纹槽切线方向平缓地把滚珠掬起来，再通过螺母内部的贯通孔来循环，这种方式适合高速静音传送；管循环式是让滚珠在适合其大小的循环管里在始点和终点之间来回循环，它能适用的规格（轴径、导程）范围很广；端盖式是在螺母端部设置拉起滚珠的端盖，通过螺母内部设置的贯通孔循环，适合大导程。
滚珠丝杠精度等级的划分标准是这样的：随便取一段300MM长的丝杠，量一量实际移动的距离和理想移动距离有多少偏差，偏差越小，精度就越高。在国内，精度等级分为P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10；日本、韩国和中国台湾省用的是JS等级，也就是CO、C1、C2、C3、C5、C7、C10；欧洲国家采用的标准是IT0、IT1、IT2、IT3、IT4、IT5、IT7、IT10。一般来说，普通机械用C7、C10级别的丝杠就能达到加工要求了；数控设备通常得用C3、C5级别的丝杠，在国内，大部分数控机床配的是C5级丝杠。航空制造设备、精密投影还有三坐标测量设备等一般用C3、C2级别的丝杠。从功能上看，丝杠分两种，一种是传动级丝杠，一种是定位级丝杠。传动级丝杠的精度在C6 - C10之间，这种丝杠一般是辊轧制造的，所以也叫转造级丝杠；定位级丝杠的精度在C0 - C7之间，它一般是用磨床制造的，所以也被叫做研磨级丝杠。
NSK披露，在数控机床里，车床、铣床、镗床、钻床、冲床等常用的精度等级是C5；磨床、电火花加工机械、线切割机等常用精度等级为C3；半导体/印刷版制造装置常用的精度等级是C1；工业机器人常用精度等级在C5 - C7之间。
2.3、滚珠丝杠市场：国内企业正在朝着中高端发展。
2020年金属加工杂志社做了第三届滚动功能部件用户调查分析报告，报告显示数控机床仍然是滚动功能部件最大的用户群。制造业朝着数字化、智能化转型升级的时候，机器人和生产线领域使用滚动功能部件的占比增长得特别快。
从市场空间来讲，全球滚珠丝杠市场的规模在稳步增长，中国已经是最重要的消费市场中的一个了，长远来看，成长的空间很可观。据秦川机床的公告，2016 - 2021年期间，全球滚珠丝杠市场规模从13.1亿美元涨到了17.5亿美元；同一时期，我国滚珠丝杠市场规模从16.8亿元增加到25.6亿元。中国成了滚珠丝杠产品重要的消费市场之一，大概占全球规模总量的20%上下。从市场竞争格局方面看，现在全球主要的滚珠丝杠厂商有NSK、THK、SKF等。按照华经产业研究院的统计，2021年的时候，排名前五的企业销售额的市场占有率达到了大概46%，主要是欧洲和日本的企业，日本和欧洲的滚珠丝杠企业占据了全球大概70%的市场份额。
在国内的行业供需方面，滚珠丝杠是需求量比产量大，供需缺口在行业里很明显。据华经产业研究院统计，2021年中国滚珠丝杠的产量是983万套，需求量达1406万套。从价格走势来说，这几年我国滚珠丝杠行业的市场竞争越来越激烈，国内的企业往中高端市场发展，外资品牌忙着抢占经济型产品的市场份额，市场竞争明显加剧了，这就导致行业市场价格整体上明显下降。国内滚珠丝杠的价格，从2014年平均每套225元降到了2021年的181元每套，预计2022年市场价格会降到180元每套，下降的速度慢下来了。
国内滚珠丝杠的高端市场差不多都被德国力士乐、日本的THK、NSK把控着，中端市场呢，是被德国、日本品牌（像力士乐、THK、NSK），中国台湾的品牌（上银、银泰），中国大陆的品牌（汉江、南工艺）所占据的。
【3、 行星滚柱丝杠：下一代高承载产品】
3.1、行星滚柱丝杠：承载能力强、速度快、使用寿命长。
行星滚柱丝杠（Planetaryrollerscrew，PRS）和滚珠丝杠差不多，是一种能把旋转运动和直线运动相互转换的机械装置。PRS在1942年最早被瑞典人CarlBrunoStrandgren发明出来。到现在还没有被广泛应用，主要是因为它结构复杂，加工起来很难，成本也高。现在主要用在民用方面，像精密机床、食品包装、特种机械、测试仿真这些领域。随着飞行器和武器装备朝着全电化发展，还有石油、化工、机床这些领域需要大推力、高精度、高频率、高效率、长寿命的机械装置来当机电作动系统（Electro－MechanicalActuator，EMA）的执行机构，用来取代容易被污染、维护成本高的传统液压作动系统（Electro－HydrostaticActuator，EHA）。再加上内、外螺纹加工工艺提高了，制造设备和相关材料技术也发展了，这几年行星滚柱丝杠受到广泛。标准的行星滚柱丝杠主要由滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱、内齿圈、压盖和挡圈构成。滚柱丝杠和滚柱螺母是齿形角为90°的多头螺纹。滚柱的齿形是双凸圆弧的单头螺纹。好些滚柱在丝杠周围均匀分布。当滚柱丝杠转动的时候，滚柱既绕着丝杠轴公转，又绕着自己的轴线自转，从而带动滚柱螺母轴向移动。所以，行星滚柱丝杠副里滚柱和丝杠、螺母是滚动摩擦，传动效率最高能达到90%。行星滚柱丝杠副的承载主要是靠滚柱螺纹和丝杠、螺母90°齿形角两边点接触来承载的。
和现在广泛使用的滚珠丝杠比起来，要是用行星滚柱丝杠来传动的话，有下面这些好处：1）承载能力强、能抗冲击，而且体积小。行星滚柱丝杠是线接触的，接触面积变大了，承载能力和刚性就大大提升了。每个滚柱的每条螺旋线都能同时和配合的部件受力接触，一起承担负载。这样的设计能让负载分散到更多的接触点上，每个接触点承受的最大压力就变小了，承受冲击载荷的能力很强，工作起来很可靠。在相同的载荷条件下，行星滚柱丝杠的体积比滚珠丝杠要小三分之一。2）速度快、噪音小。滚珠丝杠的钢球得反复加载、卸载，还得在滚珠循环通道的两端急剧转弯，行星滚柱丝杠就不一样，它的转速能达到6000转每分钟，最高线速度能到2000毫米每秒，最大加速度能到3G。滚珠丝杠机构的噪音是因为滚珠在循环通道里相互碰撞和急速转弯产生的，行星滚柱丝杠的噪音是滚柱两端正时齿轮机构啮合产生的，这个频率更高，而且不会随着丝杠转速升高而成指数级增长。所以，行星滚柱丝杠比滚珠丝杠噪音低。3）精度高、寿命长。丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹，这样有利于达到更高的导程精度，能够实现精密微进给。行星滚柱丝杠能承受的静载是滚珠丝杠的3倍，寿命是滚珠丝杠的15倍。4）容易安装和维护，适应环境能力强。电动缸里的一体化螺母组件很容易从丝杠轴上分开，滚动体和相关零件不会散落，安装和维修都很方便。电动缸对恶劣环境（像低温、有粉尘、化学沉积和没有润滑等情况）的适应能力比较强。
3.2、行星滚柱丝杠大体上有五种类型。
行星滚柱丝杠发展了数十年，有了不同种类，主要包括标准式、反向式、循环式、轴承环式和差动式。（1）标准式行星滚柱丝杠呢，滚柱两端有螺旋齿。这是为啥呢？为了不让滚柱的轴线相对丝杠倾斜，消除丝杠螺旋升角给滚柱带来的倾覆力矩，这样滚柱就能平行于丝杠轴线正常转动了。（2）反向式行星滚柱丝杠和标准式的不一样。反向式是螺母旋转输入，丝杠直线输出，而且丝杠螺纹两端加工了直齿，它的好处就是便于集成。（3）循环式行星滚柱丝杠的滚柱螺纹是螺旋升角为零的环槽，这是它很明显的特征。这种行星滚柱丝杠能实现小导程，位置精度高，啮合点更多，承载能力也更高。（4）轴承环式行星滚柱丝杠的螺母不是一个单独部件，是由轴承环、壳体和端盖组成的。动力从丝杠传给滚柱，再到轴承环，轴承环两端装着推力圆柱滚子轴承，它能在轴承里自由旋转，然后把动力传给推力圆柱滚子轴承，最后传到螺母壳体上。（5）差动式行星滚柱丝杠，它的滚柱和螺母都是无螺旋升角的环槽，滚柱有大直径段和小直径段。大直径段的环槽和丝杠螺纹啮合，小直径段的环槽和螺母环槽啮合。它的优势就是能实现小导程，结构简单又好加工。
按照ISO3408 - 3的规定，行星丝杠的公差等级是咋划分的呢？这里的决定因素是300mm螺纹长度上的导程误差V300p。它的标准精度等级有G1、G3、G5这几种，要是有更高精度等级的需求，也能按要求进行非标生产。
3.3、行星滚柱丝杠的市场情况是：国内外企业之间存在着比较大的差距。
装备制造业的自动化和智能化在不断发展，机电伺服作动系统慢慢取代了传统的液压伺服作动系统和气压伺服作动系统。因为机电伺服作动系统有系统重量轻、效率高、安装和维护方便这些优点，所以它成了伺服控制领域的首选，在航空航天、机器人、汽车、高精密机床等领域已经被广泛应用。机电作动器（electro - mechanical actuator，EMA）是机电伺服作动系统的关键部件，主要包含电机、减速装置和执行机构。执行机构是EMA的核心部分，它的传动和承载性能直接影响EMA的工作性能。EMA的执行机构常见的有滚珠丝杠和行星滚柱丝杠这两种。行星滚柱丝杠能承载高、耐冲击，像航空、航天、船舶、石化、电力、医疗机械这些要求承载大、精度高、寿命长的领域，行星滚柱丝杠是比较好的选择。
这产品的行业大拿大多来自欧洲、美国还有日本这些地方。那些外国企业一直都在搞行星滚柱丝杠的研发和推广，已经攒下了超多生产应用方面的经验，而且有了很成熟的产品系列。现在国外能生产行星滚柱丝杠的企业主要有瑞典的SKF、瑞士的Rollvis、德国的INA、美国的Exlar、德国的Rexroth、瑞士的GSA、英国的PowerJack、德国的LTK以及日本的NTN株式会社等。和国外比起来，国内行星滚柱丝杠的生产应用发展得比较慢。现在就只有几家企业有小批量生产的本事，像博特精工、汉江机床、南京工艺这些企业。虽说这些企业已经能单个生产了，可和国外大规模的生产应用比起来，还是差着一段距离呢。所以国内还得想法子搞校企合作，加强基础理论方面的研究，多投入些钱搞研发，把核心技术给攻克了。在国内市场上，SKF、Rollvis、GSA这些国际品牌占的市场份额比较高，另外还有南京工艺和济宁博特这两家国内品牌。目前这两家公司的产品性能和国外比还有些差距，产业化还处在早期阶段。从SKF公司行星滚柱丝杠产品的成本构成来看，原材料成本大概占60%，工时和生产方面的成本占15%，工厂里的固定成本分摊是15%，集团向法国工厂收的管理成本占10%。
IHSMarkit对滚柱丝杠的销售做了预测，2022年全球卖了8.6万根滚柱丝杠，销售额是6.5亿元人民币，在中国卖了1.0万根，销售额是1.1亿元人民币。
【4、 滚珠丝杠与行星滚柱丝杠的对比】
应用历程是这样的：（1）滚珠丝杠在1874年首次取得专利，而行星滚柱丝杠首次获得专利是在1942年，这中间隔了68年；（2）1940年滚珠丝杠首次实际应用于汽车转向机构，行星滚柱丝杠在1987年才开始大批量生产，这中间相隔47年。液压系统呢，1795年就被发明出来了，到1870年的时候，液压传动技术就被用来驱动像起重机、绞车、剪切机之类的多种设备了。
把滚珠丝杠和行星滚柱丝杠的截面拿来对比一下，行星滚柱丝杠有这么些好处。它的结构尺寸小，接触线长，传动间隙也小。它的结构尺寸小、承载能力大、传动精度还高。特别是在动载荷这种工况的时候，行星滚柱丝杠有好多根滚柱呢，这些滚柱能把冲击分散到螺纹接触线上，这样它的刚度和抗冲击能力就更好。
滚珠丝杠高速运转的时候，里面的滚珠会受到离心力影响而滑动，这样机构的径向振动就更厉害了，还会出现温升太快、寿命缩短这些问题；要是在重载的工作状况下，因为弹性变形和摩擦力的影响，滚珠很容易卡死，就没办法正常运转了。国外的学者依据Hertz应力定律，再结合实际的测试结果发现，在结构尺寸一样的情况下，PRS的静承载能力是滚珠丝杠的3倍，使用寿命大概是滚珠丝杠的15倍。
依据王有雪【E公司滚柱丝杠产品营销策略研究】的内容，在国内市场里，行星滚柱丝杠市场份额较大的品牌有Rollvis、GSA、Rexroth这三个国际品牌，还有南京工艺和济宁博特这两个国内品牌。Rollvis是瑞士的企业，在世界上那可是相当有名的行星滚柱丝杠专业生产商，发展了30年之后，它的产品销售额在全球市场能占到差不多40%。国内滚柱丝杠高端市场差不多都被德国力士乐、日本THK、NSK给占了。中端市场呢，主要是三方面的势力。一方是德国和日本的品牌，像力士乐、THK、NSK；一方是中国台湾的品牌，比如上银、银泰；还有一方是中国大陆的品牌，汉江和南工艺就在其中。
【5、 丝杠加工工艺：生产效率与产品精度的 平衡】
在机电伺服这个系统里，行星滚柱丝杠可是核心机构呢，它对整个系统的动态性能有着非常关键的作用。要是它传动的精度不够，那整个伺服系统的响应速度和精度都会直接受到影响。行星滚柱丝杠的传动精度会被很多因素影响，像它自己的误差、环境带来的误差、回程产生的误差以及中间的误差等等。按照【金属加工】杂志社第三届滚动功能部件用户调查分析报告里的说法，精度是企业考核行星滚柱丝杠时的首要技术指标。
行星滚柱丝杠的关键技术包括这些方面：（1）设计时得同时考虑螺纹和齿的加工。要是丝杠直径小，滚柱齿的齿数、模数也都小，那就得考虑根切变位，还要确保丝杠中心线和齿轮中心线重合等问题。（2）行星滚柱丝杠（PRS）装配起来比较难，主要是螺纹加工和轮齿加工的相位匹配问题。得保证滚柱螺纹和螺母螺纹能啮合，滚柱齿和内齿圈也能啮合，还得方便多个滚柱按顺序安装。（3）要对效率、寿命和承载能力进行分析，构建完整的刚度、强度分析体系。不过，螺纹牙型角、接触角这些参数对总体性能影响到什么程度，还缺乏实验研究。（4）传动部件主要靠滚动摩擦来传输动力，所以摩擦、润滑以及摩擦生热等也是以后要研究的问题。（5）行星滚柱丝杠（PRS）作为电动机械作动器（EMA）的执行部件，在各行各业都广泛使用，在航空、航天领域更是如此。PRS的设计要和EMA系统相匹配，在保证力学性能的同时，还得兼顾行业应用要求。（6）目前已经有5种PRS的结构形式。探索设计新的PRS结构形式也是很有意义的，比如行星齿轮系统里的串联、并联结构形式等。（7）为了达到PRS传动的工作性能和精度要求，螺纹滚道的硬度一般是HRC58 - 62，滚柱的硬度一般是HRC62 - 64。在热处理方面，通常根据材料的选择和实际工作环境来确定。
滚道加工的核心要素是螺纹加工，滚珠丝杠和行星滚柱丝杠（丝杠和滚柱都包括）加工的核心步骤也是螺纹加工。传动级丝杠通常用辊轧法制造，定位级丝杠对精度要求更高，一般是车、铣、磨结合起来制造，精度由磨削环节决定。
螺纹加工的精度会直接对系统的传动精度、使用寿命和平稳性产生影响，所以优化螺纹加工技术是提高PRS整体性能的关键。螺纹是按特定参数设计的，制造工艺主要是成型加工，像旋风铣削、磨削加工、硬态车削、滚压成型这些。据黄祖尧【滚珠丝杠螺纹制造技术向高效、低耗、绿色方向发展】所说，在全球环保浪潮的推动下，丝杠螺纹制造从「白钢刀挑扣」发展到高速硬车削，从螺纹磨削拓展到高速旋风铣削（软、硬），从切削加工转变为无屑精密滚轧成形制造，从低档、低速、低精度朝着高档、高速、高精度发展，高效、低耗、绿色已经成为21世纪螺纹制造技术发展的主要方向。
5.1、辊轧路径：精密滚轧技术在提高效率、降低成本方面潜力巨大。
丝杠螺纹滚轧成形技术是基于金属塑性变形理论的，有很多优点，像材料利用率高，产品机械强度也高（抗拉强度能提高20% - 30%，疲劳强度能提高20% - 40%，抗剪强度能提高5%），使用寿命长，丝杠螺纹的尺寸和导程精度的同一性、互换性比较高，生产周期短，制造成本也低。工业传动和定位用到的滚轧丝杠产品有两种：滚轧梯形丝杠副RLS（RollingLeadScrew）和滚轧滚珠丝杠副RBS（RollingBallScrew）。早时候的产品精度不高，大多用在各类工业机械的动力传递和快速驱动上。不完全统计的话，全球制造滚珠丝杠的专业厂家里面，有30多家有滚轧设备生产线，按标准系列批量生产RBS和RLS产品。不过大多数企业的RBS产品精度长时间都在T7 - T10级这个水平。冷轧滚珠丝杠是用冷加工工艺模具做出来的，开模工艺自动化程度高，批量生产的时候成本低、效率高，精度一般在P7级左右，在设备里是做传动部件的。
HPR（HIGHPRECIDIONROLLING），也就是精密滚轧技术。
国外有一些制造RBS的知名企业，像Rexroth、Thomson、WarnerElectric、Eichenberger、NSK、THK这些企业。它们有新一代高性能的CNC精密滚轧机，而且掌握了核心技术，在大批生产的时候，能让RBS的精度稳定在P5 - P7级，部分还能达到P3级。精密RBS从低水平发展到高水平、从量的变化发展到质的变化，总结起来有下面这些原因：(1)新一代滚轧机精度高、刚性强，数控化和智能化的水平很高，在轧制的时候，会根据金属塑性变形的情况和滚轧力的变化，动态调整滚轧的工艺参数。(2)轧辊的进给方式变了，从一个轧辊单向进给，变成以丝杠（精胚）中心线为标准，用计算机控制一对伺服交流电动机，让双轧辊同步向中心做微米级的精密径向进给。(3)对精密轧辊进行3D优化设计，按照材料变形的规律对导程（螺距）和齿形进行修正。使用优质合金钢，这样就大大提高了制造精度和工作寿命。(4)用来做RBS滚轧精胚的材料，品牌和质量都稳定可靠（由钢厂定点供应，不混杂其他材料），材料合金元素的纯净度、塑性应变能力、延伸率，还有微量元素的含量、晶粒的球化程度等，都能满足冷滚轧的要求。(5)那些RBS产品做得好的企业，在RBS生产线上都配有CNC中频淬火设备、自动矫直机、螺纹滚道抛光设备，还有控制产品质量的全套检测仪器等。
精度达到P3 - P5级的精密RBS有机会进入CNC机床和CNC工业装备领域了。德国的Rexroth公司在精密RBS方面很有成绩，这个公司已经决定全力批量生产RBS。据博世力士乐（中国）有限公司业务总经理说，在他们销售的BS总量里，RBS能占到80% - 90%，磨削BS只占10% - 20%。要是把规格和精度等级相同的RBS和磨削BS作个比较，就会发现RBS有「同级质优」这种「芯里美现象」。冷轧滚珠丝杠轴端有三种加工方法：退火后车制、磨削、硬车削。冷轧滚珠丝杠轴端加工时，材料硬度高，加工余量也大。很多企业用传统工艺加工，就是轴端先退火，再车削，然后轴端淬硬。这种方法因为轴端要反复进行软化和硬化热处理，会让冷轧滚珠丝杠性能不稳定。还有企业用磨床对冷轧滚珠丝杠轴端进行大余量磨削加工。随着刀具材料和制造技术不断进步，硬车削大余量加工淬硬钢这一工艺变得简单高效了。可以选择CBN这种高硬刀具，它适合加工硬度在HRC45 - 79之间的材料。这个工艺省掉了退火和淬火热处理环节，避免了退火后二次淬火的问题，也彻底解决了用砂轮大余量磨削加工的难题。
5.2、先车后磨这种经典工序精度挺高的，不过生产效率还有待提高。
如今，大多数滚珠丝杠制造厂家都是采用先车削后研磨的方式来加工生产的。先把原材料车削到一定的精度，接着用专门的丝杠磨床先粗磨再精磨到要求的尺寸。这种加工方式的优点是精度不错，成本也低，国内的专用丝杠磨床就能做到。不过它也有缺点，就是加工效率低，单只螺母单道磨削工序要花13 - 15分钟，而且磨削产生的大量粉尘和油烟对操作工的身体健康有很大危害，对环境的污染也很严重。
砂轮磨削：第12道工序是对滚珠丝杠工作滚道进行淬硬热处理，所以工作滚道粗加工时，最常用砂轮磨削来制出90°V型槽。不过，这种工艺经磁力探伤检测后，会发现滚珠丝杠滚道的圆弧上有沿轴线方向或者网状的裂纹。可以用「小磨量多次进给」的工艺方法，或者「磨——工作滚道表面温度稳定——磨」的技术方法来解决，这样能最大程度降低滚珠丝杠工作滚道表面的磨削应力和磨削热量，尽量避免出现磨削裂纹或者烧伤现象。
磨削滚珠丝杠的加工工艺大概有20多道工序呢，这得花30到45天的时间，耗时很长，效率又低，成本还高。在加工工艺里，材料热处理和工作滚道粗加工是两个重点。砂轮磨削、硬车削、旋风铣削是磨削滚珠丝杠工作滚道粗加工常用的方法。
5.3、热处理：这是个隐形壁垒，精度得控制好。
滚珠丝杠成品零件的制造质量和精度受材料及热处理方式的影响很大。滚珠丝杠常用GCr15高碳铬轴承钢这种材料。轴承钢淬火加低温回火后，硬度高、组织均匀、耐磨、接触疲劳强度也高，不过它塑性一般、切削性能中等、焊接性能差还存在回火脆性。所以在磨削滚珠丝杠粗加工前，得先对轴承钢材料做预先热处理，通过球化退火让GCr15材料里的碳化物球化，形成在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物组织，这样能降低材料组织硬度，提升材料塑性，改善材料的金属切削加工性能。轴坯加工完后，要把磨削滚珠丝杠工件的工作表面（滚道）和加工基准（中心孔）淬硬，为后面滚珠丝杠开滚道把材料的力学性能准备好。每次金属切削加工都会产生应力变形，为了消除应力变形对工件的不良影响，关键的质量控制点都得进行时效去应力处理，这样才能控制好工件的加工质量。合理安排滚珠丝杠的材料选择、热处理内容和顺序，就能最大程度保证磨削滚珠丝杠零件的表面接触强度、整体刚性、耐摩擦性等工程力学性能指标，满足它在尺寸精度、几何公差、表面粗糙度方面的零件工作配合技术要求。
滚珠丝杠中频淬火之后，金相组织有了改变，轴向尺寸也就跟着变了。在螺纹粗加工的时候，得摸清楚淬火时这种变化的规律，这是个必须解决的难题。不同钢厂的GCr15轴承钢，冶炼炉号（批次）不一样，即便尺寸规格和淬火工艺是相同的，轴向变形量也还是不同，所以掌握变形规律很不容易。要是淬火前导程修正量不对，磨削余量就会偏移，滚道表面硬化层的厚度就不均匀了，产品的摩擦特性、接触刚度和使用寿命最终都会受到影响。
5.4、旋风硬铣：这是一种新兴工艺，生产效率和产品精度都能兼顾。
高速旋风铣削硬度在HRC60以上的淬硬丝杠，这是一种新的高效绿色加工法。加工的时候，工件一次铣削就能搞定，也不用切削液，加工效率差不多是磨削加工的5 - 8倍呢，国外滚动部件加工行业里用得挺多的。高速硬切削这种加工技术是基于高速切削理论的，就是直接对HRC55 - 65的高硬度金属材料进行车削或者铣削加工。它的理论根据是Salomon博士的理论，这个理论说当切削速度提高到一定程度的时候，切削温度不但不上升，反而会下降。
在数控车床上安上高速铣削螺纹动力头，对于硬度在62 - 65HRC的淬硬轴承钢GCr15工件，用刀盘上6把或者8把均匀对称分布的高强度成型铣刀来加工。刀盘旋转轴线和工件轴线有个偏心距e，铣刀就借着这个偏心距依次进行切削，而且这两个轴线的夹角就是螺纹的螺旋角。旋风铣削的时候，刀盘和工件朝着同一个方向转，这就是顺铣。工件转速低，每分钟就转4 - 10圈，刀盘转速高，每分钟能转600多圈。工件每转一圈，刀盘就沿着工件轴线移动一个螺纹导程那么长的距离，这样就能把整个螺纹滚道加工出来了。
国内这边，汉江机床自己研发出了HJ092型九轴三联动CNC丝杠硬旋铣床（6米、8米）。这台机床用咱们国家自己产的CBN盘铣刀，对硬度达到62HRC的滚珠丝杠进行硬旋铣之后，精度能达到P4级，表面粗糙度Ra在0.4到0.6μm之间。
旋风硬铣能达到现在的精度，靠的是下面这些方面：（1）高速硬旋铣是以德国切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）的高速切削理论为基础的。按照「Salomon曲线」，切削速度一旦超过「临界速度」，单位切削力会下降30%还多，而且95%以上的切削热还没来得及传给工件，就被很多呈「，」状的小切屑迅速带走了。切削力小，工件温度又低，这对减小丝杠的径向和轴向变形很有好处。（2）新一代的CNC硬旋铣床大大增强了「机床—旋风铣头及刀具——工件（安装、支承定位）」这个系统的动刚度。高速旋铣的时候，机床的激振频率特别高，这个范围远远超出工艺系统的固有频率。所以振动小，工作平稳，有助于降低Ra，提升加工表面的质量。（3）高档CNC硬旋铣机床在控制技术、旋铣刀盘电主轴直驱技术、误差适时补偿技术还有智能化水平等方面都有很大的提高。（4）在刀具系统上，采用先进的刀片材料（像CBN、PCBN）以及高精度的CNC刀片刃磨（修复）技术和机床，并且提高刀片在刀盘上的安装和对刀的精度。
高乃坤等人检测了大量旋铣加工的滚珠丝杠的螺纹精度，还测试了其装配后的产品性能，对磨削加工与旋风硬铣加工的滚珠丝杠各项质量参数进行了分析对比，得出如下结论：(1) 用成形刀具加工的丝杠，其滚道截形稳定性和中径一致性，比磨削加工的丝杠明显要好。(2) 统计精度检测数据后发现，旋风硬铣丝杠在有效行程内的行程变动量（线性），相比磨削加工的丝杠明显更优。(3) 旋风硬铣丝杠加工时温升低，彻底消除了螺纹磨削后滚道表面可能出现的退火现象，所以丝杠性能质量比磨削加工的丝杠好。(4) 对旋风硬铣滚珠丝杠装配后的综合性能进行测试，其动态预紧转矩的波动值和运动平稳性都比磨削加工的丝杠好。(5) 统计精度检测数据可知，现在只有极少数丝杠能达到P2级精度，所以在高精度丝杠加工方面，和磨削加工的丝杠相比还有差距。
在我国，很多机械制造公司都用旋风铣削，20世纪60到70年代推广了旋风铣削技术，主要是用于一般钢材各种螺纹软铣的旋风铣头。之后，大连机床厂、北京机床研究所、济宁博特、南京工艺这些地方开始用旋风铣床来高效粗加工精密滚珠丝杠。2004年，南京工艺装备厂第一次买了德国Leistritz公司的PW160型CNC硬旋铣机床，2009年又买了这个公司新出的PW300HP型10mCNC硬旋铣机床，用这个机床能精铣出整体800mm以上的大型滚珠丝杠副。山东济宁博特精工股份有限公司也引进了螺纹旋风硬铣削设备。国内生产滚珠丝杠副的大连高金、济宁博特、南京艺工都有旋风铣加工设备，可旋风硬铣机床在国内没快速推广开，主要是以下原因：（1）旋风硬铣对滚珠丝杠的原材料和刀具要求高，国产的材料和刀具达不到加工要求，这就使得加工成本比较高，所以滚珠丝杠原材料和刀具国产化是降低硬铣加工成本的关键。（2）旋风硬铣机床是精密设备，技术附加值高，8m的旋风硬铣机床售价折合人民币大概1200万。（3）旋风硬铣削的加工精度受很多因素影响，而且我国数控技术比较落后。
5.5、硬态车削：螺纹滚道的半精加工方案
硬态车削呢，就是用超硬的刀具对硬度超过50HRC的材料进行精密加工的工艺。一般来说，刀片材料会用硬质合金、陶瓷、PCBN还有金刚石。把淬硬材料的车削当成粗加工或者最后加工、精加工的新方法、新工艺，这样就不用磨削加工技术了。用PCBN刀具精车的话，表面粗糙度能达到0.32μm，这就和半精磨的水平差不多了；在一台机床上就能把毛坯加工成成品，加工效率提高了不少。
有些企业会直接运用硬车削这种先进技术，来对滚珠丝杠工作滚道做开粗加工，从而车出90°V型槽。它有这些好处：(1) 硬车削一般都是高转速、大切深，金属切除的效率能达到磨削加工的3倍还多。(2) 硬车削加工时，零件装夹一次就能把多个表面加工好，像车外圆、车内孔、车槽之类的。可磨削加工得多次安装才能完成，这样就会有二次安装误差。(3) 硬车削产生的热能一半以上都被切屑带走了，不会像磨削加工那样出现表面裂纹和烧伤的情况。所以硬车削能让工件有不错的加工精度和表面粗糙度，能符合形位公差技术要求，比如圆度、位置精度这些。
在高刚性硬车刀具系统和硬车机床系统有了突破性发展，并且市场环境对滚珠丝杠高品质、低成本的要求不断提高的时候，以车代磨的硬车技术就出现了。螺纹滚道硬车削是一种新的螺纹滚道粗加工技术，它最大的好处就是在粗加工螺纹滚道时，不会像磨削那样因为切削热让丝杠硬度降低，从而出现可靠性差的问题，而且加工效率高，没有油烟粉尘污染，很环保。海外的滚珠丝杠制造厂家大量采用以车代磨螺纹滚道的粗加工技术，在国内因为技术有限，目前用得比较少。硬车粗加工的滚珠丝杠，圆弧滚道的圆度在0.008mm以内，圆柱度在0.01mm以内，表面粗糙度值Ra≤1.6μm，这是符合滚珠丝杠加工技术要求的。而且，它的生产效率比磨制高不少。像直径40、导程10、长度1M的滚珠丝杠，磨削大概要花70到100分钟，要是用硬车的话，只要30到45分钟就够了。滚珠螺纹滚道硬车不只是在效率上比螺纹滚道硬磨削提高了很多，生产制造成本也降低了不少，因为不需要那么多昂贵的专用外螺纹磨床了。所以，滚珠螺纹滚道硬车会被越来越广泛地使用，越来越多的滚珠丝杠厂家会把滚珠螺纹滚道硬车当作螺纹滚道半加工的最好工艺方法。
张广明在【滚珠丝杠滚道硬车加工技术研究】里提到，欧洲和日本对于高精度的滚珠丝杠螺纹，都是淬火前软车补偿、淬后磨削。国内有些厂商也试着用这种淬火前软车补偿、旋铣补偿，淬火后磨削的加工法，还做了好多工艺验证试验，就盼着能解决、打通这个主要瓶颈呢。不过，因为国内滚珠丝杠用材的稳定性不行，淬火前后滚珠丝杠变形没规律，这就使得软车补偿、旋铣补偿工艺有一定技术风险。硬车加工能代替传统工序里滚珠螺纹滚道的粗磨和半精磨工序。日本和中国台湾地区，以车代磨螺纹滚道的粗加工技术用得比较多。国内的大连高金数控集团最先打破这种技术垄断，和大连机床集团一起研制开发了滚珠丝杠专用的高刚性数控硬车机床。经过长时间试验，得到了滚珠丝杠硬车的一手数据，形成了完整、独立自主的硬车技术体系。滚珠螺纹滚道硬车削的效率虽然比不上硬旋铣加工，但比螺纹滚道硬磨削效率能提高2到3倍，而且还省了好多外螺纹磨床，大大降低了生产制造成本。一般来说，滚珠螺纹滚道硬车削的生产制造成本是螺纹滚道硬磨削成本的三分之一到二分之一，是螺纹滚道硬旋铣加工成本的四分之一到三分之一。从成本和效率综合来看，滚珠螺纹滚道硬车削工艺发展前景很广阔，会是未来滚珠螺纹滚道半精加工的首选工艺方案之一。
要完整地加工出螺纹，得靠刀具多次进刀车削才行。螺纹车削加工有三种进刀的法子，就是径向进刀、侧向进刀还有交互式进刀。这三种法子都能加工出轮廓一样的螺纹，不过受到的切削力、刀具的磨损情况、切削形貌以及工件的表面质量是不一样的。
车螺纹的时候，进刀量咋分配，这对工件加工质量和刀具能用多久有影响。最后那一次进刀，可是决定了螺纹面最后的表面质量呢。所以，把进刀量分配得合理些，螺纹车削的效率就能大大提高。
【6、 工艺路线对比：精度、成本、效率、环 境】
在精密螺纹磨削、精密硬旋风铣削、精密滚轧成形这三种工艺路线里：精密螺纹磨削的好处是对丝杠材料没特殊要求，精度最高能到P0级，不好的地方是磨削效率低、生产工序多、制造成本高，一般用于高规格精度丝杠螺纹的精加工；精密硬旋风铣削对丝杠材料的要求处于中等水平，精度最高可达到P3级，Ra等于0.4μm，表面质量比螺纹磨削要好，不足之处在于关键设备前期投入大，对刀调整比较麻烦，适合加工有一定批量的产品，效率比磨削高但比冷滚轧低；精密滚轧成形对丝杠材料要求最高，精度最高能达到P3 - P5级，Ra等于0.5 - 0.8μm，表面光滑，处于压应力状态，能够实现标准化、系列化的大批量生产，适合单机快速出库存供货。
在环境影响这块儿：精密螺纹磨削是湿切削，能耗、油耗还有水耗都挺高的，并且得想办法消除磨粒、金属粉尘和油雾对工人健康的影响。精密硬旋风铣削是干切削，工序少，能耗、油耗和水耗都比磨削低，在封闭的环境里高速旋铣，噪音小，没多少油屑还方便集中处理，对环境的污染也小。精密滚轧成形属于低耗无屑的加工方式，材料利用率能达到80%以上，没有油雾和粉尘，对环境的污染小。
成本对比：滚珠螺纹滚道硬车削的效率比不上硬旋铣加工。不过，它的效率要比螺纹滚道硬磨削高出2 - 3倍，而且还省了好多外螺纹磨床，生产制造成本也大大降低了。一般来说，滚珠螺纹滚道硬车削的生产制造成本是螺纹滚道硬磨削成本的三分之一到二分之一，是螺纹滚道硬旋铣加工成本的四分之一到三分之一。从成本和效率这两方面来看，滚珠螺纹滚道硬车削工艺的发展前景很广阔，会是以后滚珠螺纹滚道半精加工的首选方案中的一个。
6.1、国内在专利、经验和原材料方面存在差距。
6.1.1、专利：国内一直在持续追赶呢。
行星滚柱丝杠技术的相关专利在20世纪40年代就有了。1988年之后的专利申请趋势能分成两个阶段，一个是萌芽期（2009年之前），另一个是成长期（2010年到现在）。萌芽期的时候，每年申请专利的数量都不超过15项。这时候的技术主要是行星滚柱丝杠总体结构设计技术，还有行星滚柱丝杠和螺母螺纹的加工制造技术。主要的申请人有日本丰田公司（TOYOTA）、德国舍弗勒技术公司、瑞典滚珠轴承制造公司（SKF）、日本精工株式会社（NSK）等。成长期里，专利数量总体上是快速增长的，这个时期又能分成两个阶段。第一阶段是2015年之前，这个阶段专利数量增长的动力主要来自德国、瑞典、法国、日本这些国家，技术主要是行星滚柱丝杠总体结构设计方面的。第二阶段是2016年之后，中国专利数量在总申请量里占的比重一年比一年大，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计、行星滚柱丝杠和螺母螺纹加工制造、行星滚柱丝杠副传动精度和效率测量、刚度特性试验这些方面。
在行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究的专利方面，有螺纹硬态车削工艺研究、螺纹磨削用砂轮的廓形修整和保持技术研究、深孔内螺纹制造技术研究、大长径比外螺纹制造技术研究。在深孔内螺纹制造技术研究方面，专利数量比较多，其技术主要是关于内螺纹采用磨削、研磨、车削、铣削的加工方法与装置，还有加工过程中磨削力预测、监测的方法与装置。行星滚柱丝杠副的总体结构设计技术、螺纹磨削用砂轮的廓形修整和保持技术、深孔内螺纹制造技术研究、传动效率测量试验研究，这些方面每年的专利申请数量较多，而且是呈增长趋势的，在当下高精度行星滚柱丝杠副技术领域，这些都是热点。
6.2、经验得不断积累，这样精度才能提高。
国内有些生产厂家也陆续购置了旋风硬铣机床，不过，滚珠丝杠的加工精度和国外相比，差距还很大。主要是下面几个原因：其一，对旋风硬铣的机理和实验研究不足；其二，国内外生产企业的工件材料不一样，在控制工件热变形误差这方面没有能参考的数据。关于硬车：滚道硬车削工艺的效率关键在于控制滚道的留量，而滚道留量的大小是由导程、钢球大小、滚珠丝杠的长度以及滚珠丝杠自身的综合情况等因素决定的。滚道硬车削得考虑车削后的工艺走向，一般来说，滚道硬车削之后还要做低温时效处理，丝杠会出现弯曲变形以及长度方向的伸缩，这些变形会因为滚珠丝杠的长径比、导程、钢球大小、丝杠材质的纯净度等因素的不同而不一样。
补偿：（1）硬件补偿的原理是，用机械方法得出丝杠全行程的螺距误差分布曲线，然后在丝杠累积螺距误差值达到一个脉冲当量之处安装挡块。机床工作台移动时，机床控制开关会给控制电路发送误差补偿信号。（2）软件补偿的原理是，把理想加工和用螺距误差测量仪这两种状态下得到的丝杠螺距误差值进行对比，得出螺距误差分布情况与补偿文件，把补偿数据输入数控系统后，就能为下次铣削加工提供补偿值了。这种定点补偿法能提高定位精度。
6.2.1、原材料方面，上下游得协同起来，提高纯净度。
6.3、发展走向：针对量产任务，设备和原材料都要升级。
华经产业研究院的数据显示，2022年中国滚珠丝杠的需求量是1555万根，我们估算全球需求量在7700万根左右；IHSMarkit的数据表明，2022年中国行星滚柱丝杠销售了1.0万根，全球销售8.6万根。滚珠丝杠现在已经被广泛运用了，可行星滚柱丝杠的使用范围比较小。朝着人形机器人「百万级」量产这个目标去看，行星滚柱丝杠要量产，压力可不小。从实现高效规模化生产的角度来讲，丝杠制造技术的发展趋势有下面几点：（1）生产设备专业化。国内滚珠丝杠生产企业现在用的加工设备大多是常规通用设备，专有设备、工具和技术特别少。为了应对市场竞争越来越激烈的需求，会有很多专业化生产设备、工具被研发和应用。比如说，会研发应用专用磨具、刀具和夹具，研发应用螺母加工专用车铣中心和磨削中心，研发应用硬加工机床，还有自动生产线等。（2）铣制、轧制滚珠丝杠将逐渐取代磨制的中等精度等级滚珠丝杠。因为数控系统补偿技术进步发展得很快，对滚珠丝杠精度不像以前那么苛求了，中等精度等级滚珠丝杠会被更广泛使用，铣制、轧制滚珠丝杠在满足中等精度等级要求的情况下，会占据更大的市场份额。（3）对于高精度等级滚珠丝杠，对其磨削技术的要求会越来越高，不但要更精密，而且要更高效。在航天、航空和军工这些电子系统容易受干扰的领域，高精度的磨制滚珠丝杠有着不可替代的地位。（4）滚珠丝杠专用材料会被研发和应用。随着滚珠丝杠企业转型升级不断推进，滚珠丝杠专业化生产会达到前所未有的程度，原材料作为滚珠丝杠的根本，肯定会被重视和研究。
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精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站
