• 機器人帶來全新機遇,軸承初步具備國產化能力

    軸承是用于支持機械傳動軸的一種零件,主要分為滾動軸承與滑動軸承。從結構來看,滾動軸承主要由滾道圈、滾動 體、保持架等部分構成,而滑動軸承結構更簡單,主要通過與軸之間的滑動摩擦實現承托功能,因此與滑動軸承相比, 滾動軸承的摩擦更小,旋轉更順暢,能量消耗較低。軸承日常會承受來自不同方向的力,這樣的力叫做“負荷”,主 要分為徑向與軸向兩種,其中與軸垂直的力叫做徑向負荷/徑向力,與軸同方向的力叫做軸向負荷/軸向力。

    車用軸承數量與精度均高于人形機器人。單車用軸承數量可達數百個,而機器人上僅需要使用數十個,總體看油車軸 承數量>電車軸承數量>人形機器人軸承數量。汽車對安全性要求高的部位,如轉向、變速箱和空調壓縮機等的軸承精 度大于機器人。

    軸承主要分布于人形機器人的減速器和關節連接處。人形機器人在關節連接處需采用軸承。線性關節通常使用深溝球 軸承和四點接觸軸承,旋轉關節通常使用角接觸軸承。減速器上所需軸承則更為復雜,可按照減速器的類型分類:(1) 諧波減速器:用一個交叉滾子軸承和一個柔性軸承。(2)行星減速器:輸入和輸出端使用球軸承,另外需要使用滾 針軸承配套行星輪。(3)RV 減速器:用 3*2 個滾針軸承、3*2 個圓錐軸承和 2 個角接觸軸承。

    人形機器人將為軸承市場帶來較大增量。人形機器人的應用場景十分豐富,在家庭、工業甚至軍事領域都有較強的發 展性。特斯拉 CEO 馬斯克曾在公司的股東大會上稱:未來人類和人形機器人的比例將不只是 1:1,人形機器人可能超 過人類數量,人形機器人行業長期的價值可能比汽車方面更有價值。鑒于美國以及日本機器人技術較為先進,我們選 取 2021 年美、日、中三國家庭戶數作為基數,考慮到個人/家庭服務機器人本身定位高端,價格較貴,具備該消費能 力的家庭占比總戶數 10%,每家一臺用作協助人們日常生活,則大致測算可得在機器人規;袌龀墒旌,其產品需 求可接近 6800 萬臺量級。 ASP 約 2500 元,當每萬人機器人保有率達到 45 臺時,市場空間約 1215 億元。人形機器人的快速發展為軸承企業帶來 了新機會:假設單臺機器人使用 14 個深溝球軸承+28 個角接觸軸承+14 個四點接觸軸承+14 個交叉滾子軸承+14 個柔 性軸承,ASP 約 2500 元。在機器人年銷 4 億臺假設下,增量市場空間 1 萬億,根據 Precedence Research 數據,2022 年全球軸承市場約 9000 億元,機器人增量遠期市場空間有望大于現有市場。

    1.2 競爭格局:海外企業占據全球軸承行業主導,國內市場較為分散

    全球八大跨國軸承企業占據全球 70%的市場。世界八大軸承企業包括斯凱孚(SKF)、舍弗勒(Schaeffler)、恩斯克 (NSK)、捷太格特(JTEKT)、恩梯恩(NTN)、鐵姆肯(TIMKEN)、日本美蓓亞(NMB)和不二越(NACHI),其中 斯凱孚為第一大軸承供應商,行業市場占有率為 7.6%。以上八大跨國軸承企業體量巨大,年均營收超過 500 億元。 國內軸承行業集中度低。中國前十大軸承企業平均產值約 60 億,行業參與者眾多,但頭部企業體量偏小。2021 年中 國軸承企業僅有人本集團和萬向錢潮產值超過 100 億,分別為 200 億和 130 億元左右,占據中國軸承市場的 9.2%和 5.9%。

    1.3 海內外軸承差異:成本、技術、產品性能

    成本:差異在于設備和產業鏈配套。海外軸承一般采用高端外國設備,加工精度較高,價格高達 500-1000 萬元/臺, 而國內部分廠家采用的國產設備加工精度僅有 P0 級別,因此國內廠家的設備成本較低。海外軸承加工設備昂貴,疊 加產業鏈配套不完善,人工和物料成本更高,導致一般海外軸承的成本更高。

    技術:重點差異在于熱處理。海內外產品性能差異主要產生于材料、工具、手段、研磨工序、冷加工和熱加工等,其 中熱處理是主要技術難點。這是由于:(1)大部分的產品差異可通過采購更好的材料和設備解決,但熱處理對技術 要求更高,難以通過其它方面補足。(2)熱處理對工件性能影響非常大,以柔性軸承為例,柔性軸承既要承受球體 的壓力又要承受高速運動的變形,凸輪如果熱處理得太軟,則溝道容易受損;若太硬,則軸承容易斷裂。 產品性能:精度、噪音與壽命等多方面差異。在中高端軸承領域,國內產品與進口軸承相比存在的差距主要體現在尺 寸公差與旋轉精度的差距、高速性能的差距、噪音與異音的差距、壽命的差距、特殊工況應用的差距等方面。

    二、諧波減速器:外購柔性軸承,交叉滾子亟待國產替代

    諧波減速器軸承包括剛性軸承和柔性軸承兩大類型。諧波減速器的制造技術基礎是諧波傳動,諧波減速器是由波發生 器(柔性軸承)、交叉滾子軸承(剛性軸承)、柔輪和剛輪 4 個基本構件組成的機械傳動。

    2.1 柔性軸承:國內以外購為主,海內外成本差異大

    柔性軸承是諧波減速器的重要零部件。其特點是,傳動比大、適用范圍廣、精度高、空回小、承載能力大、效率高、 體積小、重量輕、傳動平穩、噪聲小、可向密封空間傳遞運動。與普通軸承不一樣,柔性軸承屬于薄壁球軸承(滾珠 軸承),它的外環比較薄,容易產生徑向變形。因為裝配時存在較大的預應力和預變形,所以在未裝入波發生器橢圓 凸輪前軸承是圓形的,裝上后為橢圓形。對于諧波傳動變速器來說柔性軸承是重要的零部件,想要實現高減速比離不 開它的彈性變形能力。 海內外成本差異大。國內柔性軸承約為 60 元/個,國外產品價格約為國內的兩倍。國內柔性軸承毛利率約為 50-60%, 海外可以達到 80%以上。因此,絕大多數國內諧波減速器廠家選擇外購柔性軸承后自己加工,國內廠家當前的加工水 平可以滿足諧波加工要求。

    2.2 剛性軸承:交叉滾子軸承門檻高,國內行業集中度高

    國內交叉滾子軸承行業集中度高,龍頭為洛陽鴻元。諧波減速器用剛性軸承為交叉圓柱滾子結構。交叉滾子軸承的國 內行業龍頭為洛陽鴻元,據洛陽鴻元官網數據,截至 2020 年,洛陽鴻元已經占據國內 80%的交叉滾子軸承市場,并占 據 90%的國產諧波減速機軸承市場。交叉滾子軸承制造難度大,全球主要供應商集中在日德,主要企業包括日本 THK、 日本 IKO、日本 NSK、日企哈默納科和德國舍弗勒旗下的 INA。交叉滾子軸承國內外價格差異大,相差 30%以上。

    三、RV 減速器:使用三種軸承,角接觸軸承技術難度最高

    RV 減速器使用三種軸承。RV 減速器使用 3*2 個滾針軸承(配套行星輪)、3*2 個圓錐軸承(配套行星輪)和 2 個角接 觸軸承(輸出軸)。其中,(1)滾針軸承:徑向負荷能力大,適用于承受重載荷與沖擊載荷,技術相對簡單。(2) 圓錐軸承:可以承受徑向負荷和單一方向軸向負荷,以及以徑向為主的徑、軸向聯合載荷。(3)角接觸軸承:主要 承受徑向和軸向聯合負荷,摩擦系數小,極限轉速高,制造精度高,技術難度最高。

    3.1 滾針軸承:高端滾針軸承基本由國外廠商壟斷,國內蘇軸、南方領先

    全球滾針軸承市場前三大廠商均為國外企業。目前滾針軸承領域海外企業的優勢比較明顯,以德國舍弗勒集團、NSK 和 SKF 為代表的領先軸承生產企業基本占據了全球的高端市場。數據顯示,2020 年,德國舍弗勒集團、NSK 和 SKF 在 全球滾針軸承市場分別占比 16.6%,12.7%和 10.98%,行業集中度較高,CR3 約為 40%。目前國內主要產品依舊定位在 中低端,高端滾針軸承產品被國外廠商壟斷,短期內競爭格局突破難度大。

    國內滾針軸承市場領先企業為蘇軸和南方。根據中國軸承工業協會資料,目前,蘇軸股份是我國最大的滾針軸承生產 企業,每年生產滾針軸承產量超過 1.5 億套,占據全國滾針軸承行業主要企業總產量比重超 20%;其次是南方軸承。 從企業產量來看,國內前兩大企業的市場份額占比超過 50%。

    3.2 圓錐滾子軸承:圓錐軸承當前和海外精度差較大

    Tire 1 廠商眾多,國內外差距明顯。制造圓錐滾子軸承的知名海外品牌有鐵姆肯(TIMKEN)、舍弗勒(Schaeffler) 旗下的產品品牌 FAG、恩斯克(NSK),其中鐵姆肯(TIMKEN)是全球最大的圓錐滾子軸承制造商,擁有兩萬六千個不 同規格的圓錐滾子軸承。國內圓錐滾子軸承供應的優秀廠商有東風軸承、光洋軸承、襄陽軸承等。 圓錐軸承的海內外差距體現在產品質量、設備精度、售賣價格上。(1)產品質量:海外圓錐軸承產品品質更優,惡 劣工況下更能保證產品穩定性且不易損壞。(2)設備精度:圓錐軸承設備精度分為 6 級,從低到高依次為 P0/P6/P5/P4/P3/P2,P0 是最普通的精度。國內目前設備精度最高為 P6,設備成本較低,而海外能覆蓋所有精度的設 備,設備成本高。(2)售賣價格:國內外價格差異相當大,國外圓錐軸承的價格至少為國內的兩倍。

    3.3 角接觸球軸承:角接觸軸承開發難度高,國內人本集團、五洲新春領先

    制造難度大,供給主要來自于國外頭部軸承公司。在所有人形機器人使用軸承中,角接觸軸承制造難度最大,對制造 精度和技術要求最高。突發高強度的載荷容易使軸承失效,故除了心理因素和品牌效應之外,軸承的技術性能和可靠 性是客戶選擇進口角接觸球軸承的主要原因。根據MMR咨詢,亞太地區在2020年全球角接觸軸承市場中占比不及20%, 整體市場供給以北美、歐洲為主,主要參與企業仍以八大軸承企業為主,包括斯凱孚、鐵姆肯等,國內人本集團、五 洲新春相對領先。

    角接觸球軸承開發難度高、進度慢,存在人為技術壁壘。產品加工設備中,具有自動更換刀具功能的機床叫做“加工中心”,為了避免因加工中的發熱而導致工件尺寸變化及加工精密性降低,加工中心的主軸(安裝刀具的主軸)需要使 用升溫幅度小的角接觸軸承。根據徐從占《高速精密角接觸球軸承的組織、球化工藝和熱處理變形研究》,以目前主 流加工中心主軸使用的 P4 級角接觸球軸承為例,我國大連機床、沈陽機床等使用的主軸 90%以上由臺灣主軸商生產, 而這其中 90%以上又都是使用日本 NSK 的 P4 級角接觸球軸承,我國開發 P4 級角接觸球軸承進展整體較慢。前些年各 軸承生產強國人為設置技術壁壘,禁止在我國銷售 P4 級精度的軸承,近年雖然逐步放開了 P4 級軸承的銷售壁壘,但 仍存在較大價格落差。

    四、球軸承:行星減速器、電機均使用,價值量較低

    除 RV 減速器和諧波減速器外,人形機器人其余位置主要采用球軸承,行星減速器、空心杯電機和關節連接處等地方 都會使用球軸承。 (1)行星減速器軸承包含行星齒輪軸承、主軸承和輸入軸軸承。每個行星齒輪中間裝載一個滾針軸承,一個行星減 速器一般有三個行星齒輪,因此會需要 3 個滾針軸承。行星減速器的兩端分別搭載主軸承和輸入軸軸承,均為球軸承。 因此一個行星減速器共需 5 個軸承,包含 3 個滾針軸承,2 個球軸承。(2)空心杯電機:包含兩個小球軸承,壁壘較低?招谋姍C包含兩個小軸承,體積和單位價值量均較小。(3)關節連接處需要加裝一個軸承以承載載荷。如線性關節兩頭分別采用深溝球軸承和四點接觸軸承。

    4.1 球軸承:壁壘較低,價值量較小

    球軸承是滾動軸承的一種,球滾珠裝在內鋼圈和外鋼圈的中間,能承受較大的載荷。其包含深溝球軸承、四點接觸軸 承、調心軸軸承、止推球軸承等。

    深溝球軸承:國內產業鏈成熟,價值量較低。深溝球軸承主要可承受徑向載荷,但是在承受徑向和復合載荷時也能良 好運行,它的摩擦系數小,并適用于高轉速工況。由于結構簡單,深溝球軸承便于達到較高精度,所以可以批量生產, 目前具備制造能力的廠商上百家,成本和價格較低。深溝球軸承的國內產量為世界第一,其在工業上使用廣泛且國產 化程度高,人本等公司的產品較為成熟。

    四點接觸軸承:壁壘較低,價值量較小。四點接觸軸承又稱可承受雙向軸向載荷的角接觸球軸承,從大類上歸為角接 觸球軸承。鋼球和內外圈在四個點都接觸,因此滾動體有四個受力點,因此叫四點角接觸軸承,可以承載徑向負荷和 雙向軸負荷。

    五、軸承產業鏈:上、中游產品國產替代機會大

    5.1 我國軸承行業擁有完善的產業鏈,機器人和車用軸承難關已基本突破

    我國具備較為完善的軸承產業鏈資源。我國基礎工業發達,對軸承產業上游與中游的布局較為完善。軸承產業鏈上游 由軸承鋼、不銹鋼等金屬材料、改性塑料等非金屬材料及軸承套圈等零部件組成。產業鏈中游為軸承制造,軸承產品 主要包括汽車軸承、工程機械軸承、盾構軸承、風電軸承等。軸承行業的產業鏈下游應用領域廣泛分布于汽車、機器 人、家電和電機、紡織機、農業機械、工程機械、風電等行業,支撐起軸承行業的穩定需求。

    機器人用軸承加工精度小于車用、機床用,RV 和諧波減速器軸承已實現國產化量產。十三五期間,我國已經實現產業 化的軸承包括轎車用第三代輪轂軸承和新能源汽車驅動電機軸承等車用軸承,工業機器人 RV 減速器軸承、諧波減速 器軸承。

    5.2 原材料:軸承鋼為軸承生產主要材料

    軸承生產的主要材料是軸承鋼,我國軸承鋼行業集中度較高。軸承鋼(GCR15 等)是軸承生產的主要原材料,具有高 且均勻的硬度和耐磨性,在軸承結構中,除了保護架之外結構部件均使用軸承鋼材料。軸承的直接材料成本約占生產 成本的比重約 60%-70%。根據 2020 年統計數據,我國軸承鋼粗鋼產量達到 20 萬噸以上的企業主要有中信泰富特鋼集 團(興澄特鋼、大冶特鋼、青島鋼鐵)、中天鋼鐵集團、山東壽光巨能特鋼和南京鋼鐵等,其中行業排名第一的中信 泰富特鋼集團市場占有率超過 40%、前三大軸承鋼企業占有率共計超過 70%。

    上游軸承套圈市場規模大,行業集中度低。軸承套圈是軸承中價值量最高的零配件,據中國熱處理行業協會數據,其 成本占成品軸承成本的 35%。近年來,八大國際軸承企業逐步納入中國軸承套圈優秀廠商,例如金沃股份、五洲新春、 海寧上通優必勝軸承有限公司、浙江辛子精工機械有限公司等軸承套圈生產企業。軸承套圈市場規模大,行業集中度 較低,2021 年金沃股份國內市占率約為 1.41%。

    5.3 設備:磨床迎來國產替代機會

    磨削加工成本占比較高。軸承產業鏈中游使用的磨削環節最多,包括端面磨削、外圓磨削、溝道磨削、內徑磨削等處 理,需要大量使用磨床設備。軸承生產中磨削加工勞動量占總勞動量 60%,該步驟所用的金屬切割機床(主要是磨床) 的數量也占全部金屬切削機床的 60%左右。在軸承生產過程中,磨削加工成本占軸承總成本的 15%以上,高精度軸承 的磨削加工成本占比較普通軸承更高。

    多種磨床進口依賴度高,國產替代機會較大。目前國內僅軋輥磨床能實現國產替代,軸承加工中使用的內圓磨床、平 面磨床、外圓磨床等國產化率均低于 50%,設備基本依賴于進口。目前國內有部分磨床供應商正在加速磨床的國產化 研究,其中日發精機、宇環數控和秦川機床等企業有望成為磨床國產替代的領頭羊。


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