行星滚柱丝杠产品形式、市场格局、规模及生产制造壁垒在哪？

国内行星滚柱丝杠厂商产品布局有所空缺，性能方面与国外同规格产品存在 一定差距。

1.行星滚柱丝杠产品形式

行星滚柱丝杠产品目前主要有五种形式，其中特斯拉 Optimus 中采用的是反 向式。五种形式分别为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式。标准式行 星滚柱丝杠是一种高精度大负载的设计，可以提供非常稳定的驱动扭矩，丝杠多 应用于大负载，高速及高加速度应用；反向式行星滚柱丝杠，滚柱不沿丝杠进行 轴向运动，其行程运动是在螺母的内螺纹，通过较小的导程实现更高的额定负载， 从而降低驱动扭矩，使直接导向成为可能；循环式行星滚柱丝杠是循环滚柱设计， 滚柱是导向在一个托架中，其运动方式由一套凸轮来控制，适用于高精度、中低 速运行；差动式行星滚柱丝杠最大的特点是具备差动运动，可以获得比一般行星 滚柱丝杠更小的导程，更适应高速重载的工作场合；轴承环式行星滚柱丝杠与循 环式相同，为环槽结构，相比于标准式其螺母上去掉了内齿圈，增加了壳体、端 盖及推力圆柱滚子轴承等部件，推力圆柱滚子轴承大大提高承载能力的同时也减 小了各构件间的磨损，增大了传动效率。

2.行星滚柱丝杠市场格局及行业规模

行星滚柱丝杠主要集中于欧洲、美国、日本等，国内企业起步较为落后，目 前主要仍依赖海外进口。全球代表性的行星滚柱丝杠企业主要分布在欧洲的德国、 瑞士、瑞典等地，例如德国的 Ewellix（目前为 Schaeffler 子公司）、瑞士的 GSA/Rollvis 等，美国企业主要有 CMC、Moog，日本企业主要有 NSK、THK 两家， 国内则是以 HIWIN、南京工艺、博特精工等。

根据前瞻产业研究院引用的《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》（王有雪） 数据，2022 年国外行星滚柱丝杠龙头制造商 Rollvis、GSA 及 Ewellix 在中国市 场的份额占比分别为 26%、26%、14%，中国本土行星滚柱丝杠厂商合计市场份额 占比为 19%，其中以南京工艺、博特精工为代表，市场份额均为 8%，除此之外，美国 Moog、英国 PowerJacks 等厂商也具备生产滚柱丝杠的能力。中国大陆厂商 在产品性能上与海外头部厂商仍有差距，未来有望通过提升产品性能提高市占率。

受限于制造工艺难度高，生产设备及原有市场需求有限，全球滚柱丝杠市场 规模仅有近 3 亿美元。根据根据 Persistence Market Research 的统计数据， 2022 年全球滚柱丝杠市场规模约为 2.85 亿美元，预计 2023 年增长至 3.03 亿美 元，后续随着滚柱丝杠导入人形机器人产业链，市场规模有望大幅提升。

国内行星滚柱丝杠厂商产品布局有所空缺，性能方面与国外同规格产品存在 一定差距。1942 年瑞典发明家 Carl Bruno Strandgren 申请了循环式滚柱丝杠 的专利，1954 年他又申请了标准式和反向式行星滚柱丝杠的专利，从那以后，行 星滚柱丝杠产品就在国外市场逐步得到发展。国内厂商整体起步较晚，目前已有 后进者能够小规模生产，但性能参数方面与国外产品存在一定差距。未来随着人 形机器人产业链的国产化，国内行星滚柱丝杠厂商有望在实践中不断进步。

 2.1 材料端，符合差异特性要求的合金调制钢为高端市场壁垒

行星滚柱丝杠采用的钢材特性差异大，符合差异特性要求的合金调制钢为高 端市场壁垒。国内标准行星滚柱丝杠材料绝大部分采用马氏体不锈钢，满足一般 性强度、硬度和耐磨性要求，但高硬度与抗腐蚀度难以同时达成：而国外厂商以 合金调制钢为原材料，具备较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，以及良好的低温 冲击韧性。

国产丝杠原材料与国外同类产品性能存在差距，特种钢质量及产能或成为瓶 颈。据世界钢铁统计数据 2022 年度调查，中国大陆粗钢产量 101.3 千万吨，维 持全球产量首位，但同年特种钢进口数据达到了 850 多万吨，说明了我国在特定 场景所需的特种钢上无法自给自足。根据《国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠与国外同类产 品的质量分析》（丁震，王倩等）分析可知，国产 Cr/Mo 钢滚珠丝杠与国外同类 滚珠丝杠的显微组织对比可知,国产丝杠存在的带状偏析组织，是造成产品使用 性能不佳的重要原因。带状组织具有显著的方向性,并且容易造成在变形过程中 的应力集中，甚至出现裂纹。严重的带状组织往往伴随着品粒尺寸的不均匀，导 致各部位的性能不一致，在发生变形时容易在品粒粗大的、脆弱的部位首先形成 微裂纹，从而导致断裂。因此,带状组织是脆弱的部位,是裂纹萌生的敏感区域， 有利于裂纹的形成及扩展,带状组织越严重,对塑韧性的危害就越大。此外，带状 组织还会降低钢的力学性能、切削性能和淬透性，使零件淬火变形倾向增大，强 韧性降低。

2.2 加工端，螺纹加工的精度决定产品最终品质

螺纹滚柱是传动的关键部分，成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝 杠的性能。当行星滚柱丝杠传动机构工作时，多个螺纹滚柱共同承受载荷，避免 任何一个螺纹滚柱因承载过大而造成损伤失效。螺纹滚柱作为行星滚柱丝杠传动 机构的关键部分，其成形加工工艺和产品质量直接决定行星滚柱丝杠传动机构的 装配质量和性能。目前行星滚柱丝杠螺纹加工包含滚压法（属于锻压，含搓丝/ 滚丝）和切削法（含车削/铣削/磨削等）的方式，具体而言，车削、铣削、滚压等一般用在前半粗加工部分，精加工部分则基本上无法避开磨削的环节，除了使 用旋风硬铣削加工技术以整体代替切削+磨削的路径。 行星滚柱丝杠制造精度要求高，螺纹切割的精度和表面热处理的退火工艺为 加工难点。丝杠螺纹的加工技术主要分为两种，一种是热加工粗坯件后先用车削 和铣削进行粗加工，之后应用磨床磨削至尺寸和精度要求。由于热处理后丝杠硬 度高，该方法的难点在于螺纹切割，报废率高将影响整体生产进度；另一种则是 采用冷轧工艺直接将粗坯件加工至一定精度。

一、丝杠精度。行星滚柱丝杠副是通过螺纹啮合来实现精密传动，因此滚道表面粗糙度宜采 用较高精度等级。同时，行星齿轮的齿形较小，为了保证行星滚柱丝杠副的装配 精度，齿轮副也应采用较高加工精度等级。

根据《精密行星滚柱丝杠副行程误差影响因素试验研究》（郑伟）中的对比 分析可知，加工工艺水平及安装精度对行星滚柱丝杠的行程误差指标有着重要影 响。其中制造环节包括螺纹螺距、螺纹牙型、齿轮齿距、齿轮齿廓、制造偏心等 误差，行星滚柱丝杠的性能需求对制造提出了非常高的精度条件。磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法，磨削的实质是砂轮的表面很多磨粒划擦、刻划和切削 工件表面，使用螺纹磨床高速旋转的成型砂轮对加工工件表面进行高速切削，进 而获得更高的精度，而磨削加工中最关键的设备就是提升丝杠精度的螺纹磨床。

二、表面热处理。热处理的作用是改善行星滚柱丝杠副各零件的材料性能、切削性能以及消除 残余应力。热处理工艺可分为两大类：预备热处理和最终热处理。预备热处理的 作用是改善丝杠切削性能、消除残余应力以及为最终热处理做准备，主要工艺包 括调质、退火、正火、时效处理等；最终热处理的作用是提高螺纹的表面硬度以 及耐磨性。

由于技术设备落后、热处理工艺参数选择不当等原因，导致热处理质量较差、 热处理后变形较大，行星滚柱丝杠副的主要损坏形式是接触疲劳磨损，不当的热 处理工艺会使得其寿命降低。

2.3 服务端，售后故障类型复杂、配套装配及检修服务不完备

行星滚柱丝杠制造精密程度高，故障类型复杂，配套的装配、检修服务需及 时到位。行星滚柱丝杠传动系统在机器中的使用非常频繁，其出现定位精度下降、 轴承磨损、噪音过大等故障时需要及时修复。然而，行星滚柱丝杠制造精密程度 高、加工技术难度大，非专业人士很难正确地判断故障原因并完成维护。这要求 行星滚柱丝杠厂家提供可靠的装配、售后服务，并逐渐积累信用形成品牌效应。