国内行星滚柱丝杠行业差距及发展趋势分析

滚珠丝杠专用材料将被研发和应用。

1、 国内在专利、经验、原材料的差距

专利：国内正在持续追赶中

行星滚柱丝杠技术方面相关专利自 20 世纪 40 年代便开始出现，1988 年以后的 专利申请趋势可划分为 2 个阶段，即萌芽期（2009 年之前）和成长期（2010 年至今）。 在萌芽期，每年的专利申请数量不超过 15 项，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体 结构设计技术、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造技术方面，主要申请人有日本 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。 在成长期，专利数量总体呈现快速增长趋势，可分为 2 个阶段： 第一阶段系 2015 年之前，专利数量增长动力主要来源于德国、瑞典、法国、日 本等国家，技术主要涉及行星滚柱丝杠总体结构设计方面。 第二阶段系 2016 年以后，中国专利数量的占总申请量比重逐年扩大，技术主要 涉及行星滚柱丝杠总体结构设计、行星滚柱丝杠及螺母螺纹加工制造、行星滚柱 丝杠副传动精度及效率测量、刚度特性试验等方面。

行星滚柱丝杠螺纹加工工艺研究方面专利，具体包括螺纹硬态车削工艺研究、螺 纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术研究、深孔内螺纹制造技术研究、大长径比 外螺纹制造技术研究。其中，深孔内螺纹制造技术研究方面专利数量较多，技术 主要涉及内螺纹采用磨削、研磨、车削、铣削的加工方法及装置，加工过程中磨 削力预测、监测方法及装置方面。 行星滚柱丝杠副总体结构设计技术、螺纹磨削用砂轮—廓形修整及保持技术、深 孔内螺纹制造技术研究、传动效率测量试验研究方面的年申请数量较多且呈增长 趋势，是目前高精度行星滚柱丝杠副技术领域的热点。

 经验：需要不断积累以提高精度

国内一些生产厂家也先后购买了旋风硬铣机床，但滚珠丝杠的加工精度与国外还 存在很大差异，主要原因有以下几个方面：一是缺乏对旋风硬铣机理和实验研究； 二是国内、外生产企业在工件材料存在差异，在控制工件热变形误差上没有可以 参考的数据。 针对硬车： 滚道硬车削工艺效率关键点在于滚道的留量控制，而滚道的留量大小取决于导 程、钢球大小、滚珠丝杠的长度及滚珠丝杠自身综合状况等因素。 滚道硬车削需考虑车削后的工艺流向，通常情况下滚道硬车削后还需进行低温时 效处理，丝杠会产生弯曲变形和长度方向的伸缩，这些变形会因滚珠丝杠长径比、 导程、钢球大小、丝杠材质的纯净度等因素的不同而大小不一。

补偿 ：（1）硬件补偿原理通过机械方法得到丝杠全行程的螺距误差分布曲线，并在丝 杠累积螺距误差值达到一个脉冲当量的位置安装挡块。当机床工作台移动时，机 床控制开关向控制电路发送误差补偿信号。 （2）软件补偿原理通过理想加工与螺距误差测量仪两种状态下得到的丝杠螺距 误差值对比，得到螺距误差分布情况与补偿文件，将补偿数据输入数控系统后为 下次铣削加工提供补偿值。这种定点补偿方法可以提高定位精度。

原材料：上下游要协同，提升纯净度

在引进旋风铣硬铣技术之初发现，处在国际顶尖水准的设备，进口的滚珠丝杠原 材料铣削过程中铣削声音清脆，国产原材料则是声音比较沉闷，变形大，铣削结 果是国产材料的滚珠丝杠废品率高，刀具磨损快。主要因素是原材料的差异。经 长时间的试验和经验积累，发现原材料不仅影响了滚珠丝杠的加工，更主要的是 它是导致我国的滚珠丝杠副普遍存在疲劳寿命低、可靠性差的根本原因之一，已 成为制约国产滚珠丝杠副行业发展的瓶颈。 目前国内滚珠丝杠副生产厂家多以轴承钢 GCr15 作为滚珠丝杠、螺母的原材料； 日本 THK 公司的高精度丝杠选用 AISI4150H，螺母选用渗碳钢 SCM420H，精 度要求一般的丝杠选用 S55C，这种材料相当于国内的 55 号钢；在欧洲，多数 滚珠丝杠厂家选用 CF53 作原材料；中国台湾上银用的则是 ILM-1、ILM-2 和 ILM-3。 从纯净度上讲，我国的钢材整体水平较差。例如，氧的含量，我国国家标准规定， 高碳铬轴承钢氧的质量分数在 15×10-6 以内，国内钢材含氧量一般在 12～15 个 ppm，而工业发达国家（如日本、瑞典等），轴承钢的氧含量普遍在 10×10-6 以下即 10 个 ppm 以下，甚至达到 5×10-6 以下。

2、 发展趋势：面向量产任务，设备与原材料升级

根据华经产业研究院，2022 年中国滚珠丝杠需求量 1555 万根，我们估计全球 需求量约 7700 万根；根据 IHSMarkit，2022 年中国行星滚柱丝杠销售数量 1.0 万根，全球销售数量 8.6 万根。 目前滚珠丝杠已得到广泛应用，但行星滚柱丝杠的使用范围相对较小。面向人形 机器人“百万级”量产的目标，行星滚柱丝杠还面临巨大的量产压力。 从解决高效规模化生产的角度看，丝杠制造技术的发展趋势包括以下几个方面：

（1）生产设备专业化。目前国内滚珠丝杠生产企业的加工设备还是常规的通用 设备，专有设备工具和专有技术少之又少。为了应对日益激烈竞争的市场需求， 大量的专业化生产设备、工具将被研发、应用。例如，专用磨具、刀具和夹具的 研发应用，螺母加工专用车铣中心及磨削中心的研发应用，硬加工机床的研发应 用，以及自动生产线的研发应用等。 （2）磨制的中等精度等级滚珠丝杠将逐渐被铣制、轧制滚珠丝杠代替。由于数 控系统补偿技术得到长足进步和发展，对滚珠丝杠精度要求不再像以往那样地追 逐，中等精度等级滚珠丝杠将被更广泛地应用，铣制、轧制滚珠丝杠将在满足中 等精度等级要求的前提下占有更大的市场份额。 （3）在高精度等级滚珠丝杠方面，对滚珠丝杠磨削技术的要求将越来越高，不 仅要求更精密、而且要求更高效。在电子系统受干扰的航天、航空和军工等领域， 高精度的磨制滚珠丝杠具有无可替代的地位。 （4）滚珠丝杠专用材料将被研发和应用。随着滚珠丝杠企业转型升级的不断深 入，滚珠丝杠专业化生产将达到史无前例的程度，原材料作为滚珠丝杠的根本， 必将会被重视和研究。