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今天分享的是机器人系列深度研究报告：《机器人专题：如何看冷锻工艺在机器人领域的应用？》。
（报告出品方：国金证券）
报告共计：18页
精选报告来源：人工智能学派
一、冷锻VS车铣磨：性能、效率和成本均具有优势1.1性能对比：冷锻工艺有更高的强度和表面质量
行星滚柱丝杠是人形机器人最卡脖子环节，其主要加工工艺为螺纹加工。丝杠螺母传动将旋转运动变换为直线运动（或相反传递），主要分为滑动丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。滑动丝杠是滑动摩擦、结构简单但精度差，传动效率25%-50%；滚珠丝杠是滚动摩擦，传动效率约90%-99%，精度高、效率高、但价格高。行星滚柱丝杠承载力强、耐冲击、体积小，但是由于结构复杂、加工难度大且成本高，一直没有得到广泛应用。行星丝杠与滚柱丝杠主要的区别在于负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠。
螺纹加工方法很多，其中最广泛使用的是滚压法（锻压的一种，含搓丝和滚丝）和切削法（含车削、铣削、磨削等）。两类具体用于加工螺纹的方法是
（1）车铣磨，指对粗坯件进行热加工后，先用车削和铣削进行粗加工，后续余量精加工由磨削完成，以实现高精度；
（2）冷锻+磨削，指先采用冷轧技术直接将粗坯件加工至一定精度，后续余量精加工由磨削完成。
与车铣磨工艺相比，冷锻工艺加工的产品有更高的强度和表面质量。车铣磨工艺可以满足对零件尺寸精度和表面光洁度要求较高的应用领域，通常用于制造金属零件的加工。冷锻工艺可以提供更高的材料强度和表面质量，因此在一些对零件性能要求较高的领域得到广泛应用，通常用于生产高强度、高精度的金属零件。
进口设备冷锻精度已能达到C5加工精度，后续通过磨床可以稳定达到机器人需求精度。据宝飞螺披露，使用其冷成型机床可以使精度稳定在C5，即导程精度在00毫米的标准测量长度上为±2μm。因此若前序工序采用冷锻，后续采用磨床，可以做到C5级以上精度并保持较好的稳定性和一致性。同时可以大幅减少后续磨床的工作量，从而降低对进口磨床的依赖。
1.2效率和成本对比：冷锻工艺大幅提速和降本
1.2.1车铣磨复生产周期长、工艺流程较为复杂
丝杠是机器人木桶短板，亟待高效率和高精度国产滚柱丝杠磨床出现。目前T型丝杠、滚珠丝磨床基本已能国产替代，但高精度数控磨床仍依赖进口，主要厂家有日本三井、日本精尚、德国克林贝格、瑞士莱斯豪尔等。国内有望突破高精数控磨床技术的公司包含日发精机、华辰装备和秦川机床等。
车铣磨复合生产工艺较为复杂，且速度较低。其粗加工采用车削或铣削，后道精加工采用磨削，具体可细分为车削、铣削和磨削三道工艺。
（1）车削（Turning）：车削通过旋转工件并用刀具切削工件表面来形成所需的形状，通常用于加工圆柱形零件，例如轴、轴承等。
（2）铣削（Milling）：铣削使用旋转刀具在工件表面上切削材料，以产生所需的形状、轮廓和孔，通常用于制造平面、凹槽、齿轮等形状复杂的零件。
（）磨削（Grinding）：磨削是一种高精度的加工工艺，通过磨削轮对工件表面进行切削，以获得更高的表面精度和尺寸精度。磨削通常用于加工高精度的零件，例如模具、轴承等。
目前常用的滚柱丝杠的加工工艺主要以车削＋磨削工艺以及硬铣工艺为主，前者精度更高。
1）车削＋磨削工艺：螺纹滚道部分通过软车－淬火－硬车螺纹－磨削螺纹的方式加工成型。该工艺较以前全磨削工艺效率提高，精度也较高。
2）硬铣削螺纹工艺：螺纹部分在专用精密数控旋风铣床上采用ＣＢＮ刀具在淬硬的光杠上将螺纹滚道一次铣削成型，齿形精度高，表面光洁度好，加工效率高。
1.2.2冷锻工艺的优势：流程较短，效率较高
1、冷锻工艺流程：
冷锻通过在室温下对金属坯料施加压力，使其发生塑性变形，从而形成所需的形状和尺寸。冷锻通常用于生产高强度、高精度的金属零件，例如汽车零部件、航空航天零件、工程机械零件等。
冷锻的完整工艺流程通常包括以下步骤：1.材料准备：选择合适的金属坯料，通常是圆形或方形的棒料或型材。2.加热（可选）：有些情况下，金属坯料需要进行加热以提高其塑性，但在一些情况下也可以在室温下进行冷锻。.冷锻成形：将金属坯料放置在冷锻机上，施加高压力使其在模具中进行塑性变形，形成所需的形状和尺寸。4.冷却：冷却冷锻件，以固化其形状和结构。
一般会使用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹，按滚压模具的不同，螺纹滚压可分为搓丝和滚丝两类。
(1)搓丝:使两块带螺纹牙形的搓丝板错开1/2螺距相对布置。静板固定不动，动板作平行于静板的往复直线运动当工件送入两板之间时，动板前进搓压工件，使其表面塑性变形而形成螺纹。
(2)滚丝:利用较硬的模具对工件表面进行挤压，分为径向滚丝、切向滚丝和滚压头滚丝种。
1)径向滚丝:采用两个或三个带螺纹牙形的滚丝安装在互相平行的轴上，工件置放于两轮之间的支承上，两轮同向等速旋转，其中一轮还作径向进给运动。工件在滚丝轮带动下旋转，表面受径向挤压形成螺纹。
2)切向滚丝:又称行星式滚丝，滚压工具由一个旋转的中央滚丝轮和了块固定的弧形丝板组成，滚丝时，工件可以连续松紧，所以生产率比搓丝或径向滚丝高。
)滚丝头滚丝:一般用于加工短螺纹。滚压头有-4个均匀分布于工件外周的滚丝轮，滚丝时，工件旋转，滚压头轴向进给，将工件滚压出螺纹。
2、冷锻工艺的优势：通过提高生产效率和减少废料降本
滚压相比切削是一种更加高效、低成本和高强度的螺纹加工方法。滚压螺纹是一种无屑加工方法，其实质是利用某些材料在冷态下的可塑性来进行加工，使得工件在滚压工具压力的作用下产生塑性变形，滚制出相应的螺纹，其相比切削的优势在于：①螺纹表面质量较好，表面粗糙值较低；②提高被加工件表面金属的硬度和强度；③经济效率比切削螺纹提高工效几倍至几十倍，易于实现自动化；④滚压螺纹是无屑加工，可以节省原材料；⑤可加工无法用切削方法加工的细长螺杆；⑥比切削螺纹具有更高的耐腐蚀性。
冷锻加工螺纹相比车削加工螺纹、磨削加工螺纹效率更高，适合批量生产。磨削的丝杠工艺流程和生产周期都比较长，导致成本较高；而冷锻加工螺纹的生产周期和工艺路线都比较短，生产效率比较高，因此制造成本相对较低，因此冷锻丝杠更适合批量生产，磨制丝杠批量生产较为困难。
二、冷锻工艺供应链和竞争格局2.1加工端:已被新剑、南京工艺等批量应用
冷锻成形技术出现较早，国内已批量用于生产螺纹、齿轮、花键和螺杆等轴类零件。据《行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究》，杭州新剑机器人股份有限公司、北京齿轮总厂和南京工艺装备厂等均有使用。但对于成形设备的认识、成形精度的控制和成形机理的理解方面有所欠缺，因此实际生产的零件质量有待提升。国内已经掌握冷锻技术的主体包含新剑、北京齿轮、南京工艺、新坐标、青岛生建机械厂、太原科技大学、重庆大学等。
新坐标作为国内冷加工龙头，布局全产业链技术能力。覆盖材料、模具、设备、产品的全产业链技术研发。
（1）材料：新坐标在材料选择、线材自制等方面有专业判断能力，能够选出适合制造高质量产品的材料及供应商，并同时拥有材料锻造前处理和润滑技术，从源头上保证了新坐标产品质量的稳定性。
（2）模具：新坐标运用国际先进的冷锻模拟软件，对模具进行自主开发设计，凭借在模具材料、加工工艺上积累的多年经验，自主研发并生产出使用寿命长、性能稳定的模具。
（）设备：新坐标引进国际先进的多工位冷镦机、压力机等关键生产设备，设备自动化程度高。在检测设备方面，新坐标引进包括粗糙度轮廓仪、全谱直读光谱仪、图像分析正立显微镜等多种检测设备以确保检测结果的精确度、权威性和可靠性。另外，新坐标具备专用和非标设备的设计开发能力，可自主改造关键设备。新坐标自主设计制造了无酸洗环保磷化生产线、异形线材的加工设备、独特高效剖分面磨削设备、内圆磨床和装配线等。
（4）产品：新坐标已具备多种类产品的生产能力且产品质量稳定。在气门精密零部件产品方面，新坐标已具备生产超过种气门锁夹以及00种气门弹簧盘的能力，其中气门锁夹的产品结构也从单槽型拓展至精度要求更高的多槽型，产品设计持续向轻量化方向发展。在气门传动组精密零部件产品方面，新坐标针对液压挺柱中每个零件进行制造工艺的优化，其关键零件如柱塞和壳体已拥有多项专利。新坐标已有多种形态的滚轮摇臂量产，并拥有专利保护，适用于不同型号的发动机配气机构。
新坐标已布局丝杠工艺。据国家知识产权局披露，年5月6日，新坐标申请了“一种应用于驻车制动系统的滚珠丝杠传动结构”，通过过盈连接结构连接在一起，改变了现有滚珠丝杠传动结构的制造工艺路径，使得滚珠丝杠传动结构的整体制造工艺得到了优化。
2.2模具端:冷锻工艺最核心技术环节，同时制造螺纹和齿轮可大幅提升效率
2.2.1外螺纹和齿轮可通过模具改进一次成型
模具的设计与制造是冷锻工艺最核心的技术，改进模具可大幅提升生产效率。《螺纹滚柱轧制工艺研究段体清》中提出，可以通过对滚压模具的设计使得螺纹和齿轮能够一次成型。具体原理是将表面加工有螺纹牙形和齿轮齿形的两个轧辊安装在两个处于同一水平面且互相平行的传动主轴上，其中两个轧辊上的螺纹在主轴方向上相差半个螺距且两个轧辊的中心距离保持不变:两个扎辊跟随主轴作同步顺时针(逆时针)旋转，带动扎件做逆时针(顺时针)旋转，同时在轧件的不同部位轧制成形螺纹和齿轮，轧辊旋转一周后，成功轧制出符合要求的螺纹滚柱。
这种轧制成形加工工艺效率高、节约能耗和资源，且生产的螺纹滚柱丝杠具备较好的稳定性，符合行星滚柱丝杠传动结构对螺纹滚柱的高刚度、高承载、高精度、耐冲击和寿命长的需求。
2.2.2旋锻芯棒助力内螺纹锻造
内螺纹冷挤压加工是通过挤压丝锥（旋段芯棒）对预制孔孔壁进行挤压，齿尖刺穿孔壁材料，金属组织受力向着不同的方向移动，不断在挤压丝锥的V形槽内堆积并初步形成螺纹牙形。
冷挤压内螺纹相比切削具备高强度、高精度、高光洁度、低耗材等优势。据《内螺纹冷挤压工艺的研究现状与发展趋势_陈鑫》，冷挤压内螺纹具备的优势包括（1）高强度：内螺纹冷挤压金属产生形变时，材料内部的晶粒发生滑移，晶格扭曲，金属纤维呈连续的流线型，组织结构紧密，使螺纹的强度大幅提升，抗拉强度提升20%以上，抗剪强度提升5%-10%，硬度提升40%以上。（2）高精度：使用冷挤压方式加工内螺纹，螺纹孔扩张量极小，内螺纹行位误差小，成形精度高，质量稳定。（）高光洁度：挤压丝锥的挤压棱齿表面对内螺纹表面产生挤光作用，成形后的内螺纹表面光洁度极好，表面粗糙度可以达Ra0.4-0.8。（4）省耗材：加工过程中没有切屑产生，大幅提升材料的利用率。（5）适合深孔和盲孔加工：由于挤压过程中不需要清除切屑，从而避免了因排屑困难或切屑拥塞而导致的丝锥崩刃、折断。
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