轴承行业深度研究：机械设备核心部件，机器人有望打开应用
报告出品方：国金证券
以下为报告原文节选
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1.轴承：机械设备关键基础件，制作工艺复杂壁垒较高
1.1 轴承为装备制造领域关键基础件，市场空间巨大，下游应用广泛
轴承是机械传动轴的支承，是装备制造领域的关键基础件，是主机性能、功能与效率的重要保证，是工业领域重大装备的核心部件之一。其主要功能是传递力和运动，减少摩擦损失。
22 年全球轴承市场空间超千亿美元，全球八大跨国轴承企业占据全球 70%的市场。从轴承行业整体来看，全球市场规模已超千亿美元。据统计，2021 年全球轴承市场规模约 1200亿美元，2016-2021 年 CAGR 为 4.4%。中国轴承行业市场规模保持高速增长，根据中国轴承业协会数据，2021 年轴承行业市场规模快速增长至 2278 亿元，2022 年国内轴承市场空间预计突破 2500 亿元。
轴承下游应用广泛，在航空航天、轨交、高端机床、工程机械等领域扮演重要角色，为主轴、滚珠丝杠、RV 减速器、谐波减速器等产品关键基础件。
根据《中国机械工业年鉴 2021》的统计，21 年轴承下游应用集中在汽车、家电、电机等领域。其中汽车轴承、家电轴承和电机轴承结构占比较高，分别达 39%/20%/18%。
1.2 轴承分为滑动/滚动轴承，滚动轴承应用最广，由轴承套圈、滚动体、保持架构成
按照运动元件的摩擦性质不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承一般都有内圈和外圈，中间装有滚珠或滚子等滚动体，靠滚动来支撑滚动负荷。滑动轴承用面来支持旋转负荷，有直接滑动接触的情况，也有将流体作为媒体，以一定的膜厚维持滑动的情况。将较而言，二者的摩擦形式不同，滚动轴承阻力更小，而滑动轴承一般应用于低速重负载工况。
滚动轴承应用最为广泛，主要由轴承套圈、滚动体、保持架、密封装置构成：
1）轴承套圈：轴承套圈是具有一个或几个滚道的向心滚动轴承的环形零件，通常分为外圈、内圈。
2）滚动体：一般指滚动球或滚子，按照形状分为圆柱形、锥形、球面形、针形几种。滚珠轴承成本低、结构紧凑，适用于更高的速度和更轻的负载；而滚子轴承更适用于更重的负载和冲击。不同滚子所承受的荷载类型也有差异，其中圆柱滚子轴承一般承受径向荷载；圆锥滚子轴承可承受组合荷载，多用于机器主轴；滚针轴承尺寸小，常用于变速箱领域。
3）保持架：用于分隔引导滚动体的运行元件，为润滑提供空间的同时防止滚动体之间的金属直接接触带来摩擦和发热。保持架用于固定滚动体的位置，使滚动体以正确恰当的位置和间隔工作，并不承担载荷。
4）密封装置：用于封住内部的油脂和防止粉尘进入。
滚动轴承按照承受载荷方向、公称接触角、滚动体形状不同有较多分类。按承受载荷方向可分成向心轴承和推力轴承，其中向心轴承主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角从 0°到 45°，径向接触轴承公称接触角为 0°，包括圆柱滚子轴承、滚针轴承；向心角接触轴承公称接触角大于 0°到 45°，包括调心球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承等。推力轴承主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角大于 45°到90°，轴向接触轴承公称接触角为 90°，推力角接触轴承公称接触角大于 45°但小于 90°。
按照滚动轴承所使用的轴承套圈、滚动体、保持架结构不同，分为深沟球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、自动调心滚子轴承、滚针轴承等。
不同轴承结构在相同内径下具有不同的承载能力。深沟球轴承可承受径向、轴向载荷，适合高转速、低噪音、低振动用途；角接触轴承（向心）球与内圈、外圈接触角越大，轴向载荷的承受能力越大，接触角越小有利于高速旋转；四点接触球轴承是一种内外圈分离型单列角接触球轴承，其内圈对中心轴呈垂直平面分成两部分，可承受组合荷载；推力球轴承由两个轴承盘组成，主要吸收轴向力；调心球轴承内圈有两列沟道，外圈沟道呈球面，球面的曲率中心与轴承中心一致，内圈、球及保持架相对外圈可自由倾斜，因此可以自动调整轴心角度偏差，最适合吸收径向力。
1.3 轴承钢材、轴承专用装备、轴承滚子构筑三大核心技术壁垒
轴承属于高精度产品，需经过复杂的工艺加工过程。要高效率、低成本地加工出精度高、寿命长、性能可靠的轴承产品，需要材料科学、热处理技术、精密机械加工技术、数控技术等多学科的理论和技术的支撑。
轴承的具体生产工艺流程：原材料——内外圈加工、钢球或滚子加工、保持架（冲压或实体）加工——轴承装配——轴承成品。各部分生产工艺流程如下所示。
1）高端轴承难点——轴承钢材
国内高端轴承钢产品与国外仍存在差距。轴承行业所使用钢材主要包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢和中碳轴承钢，其中高碳铬轴承钢在我国轴承使用消耗量最大，占比达到 95%。高碳铬轴承钢方面，目前兴澄特钢已能按 GB/T182542016 标准第二等级批量生产，第一等级特级优质钢也已开始生产和供货。渗碳轴承钢、中碳轴承钢方面，国产钢材已达到国外同类产品水平；不锈轴承钢、高温轴承钢方面，国产钢材的技术质量水平与国际先进水平还有一定差距。
我国轴承钢发展迅速，但仍存在不足。技术和装备方面取得实效，一些优势特钢企业，如江阴兴澄特种钢铁有限公司，通过引进国际先进的特钢治炼和轧制装备以及技术，使得轴承钢的治炼和轧制工艺装备达到了国际先进水平。此外，随着真空脱气技术和装备的应用，我国轴承钢在纯净度与夹杂物方面的实物质量上了一个大的台阶，氧含量由原来电炉钢的30-40ppm 下降到真空脱气模铸钢的 5-12ppm 和连铸钢的 4-12ppm。然而，国内轴承钢发展仍存在基础研究尚待深入、技术和装备稂莠不齐、质量控制不严、未形成质量监督机制、研发力度弱等问题。
2）高端轴承难点——磨床与热处理设备
磨削加工是轴承生产的关键工序，磨床是核心设备。磨削加工成本占轴承生产成本的 15%以上，其中，轴承生产过程中所需的磨床数量占全部金属切削机床数量的 60%左右，生产中所需的磨削加工劳动量约占总劳动量的 60%。轴承磨削加工包含磨削、超精、研磨等。
制作高端轴承的磨床装备仍为美日德掌控。国产高端轴承制造需要高精度、高稳定性、高可靠度的机床装备，尤其是磨床，德国 Mikrosa（米克罗莎）、德国利勃海尔、日本光洋株式会社（无心磨床），日本东洋（轴承内圆磨床）在我国高精度磨床领域占据重要份额，掌握顶尖的高速磨削技术，生产的数控磨床的外表面磨削砂轮线速度可达到 120m/s，内表面磨削线速度可达到 60m/s～80m/s，机床的磨削速度高生产效率也会提高。
轴承的常规热处理包括球化退火、淬火和低温回火，轴承零件热处理质量的好坏直接影响着后续加工的质量并最终影响到轴承产品的精度、寿命等因素。轴承零件热处理设备主要包括加热设备（电阻加热炉、燃气加热炉等）和冷却设备（冷却室、淬火槽、淬火机床等）。
国内热处理设备技术与发达国家存在差距。相比较发达国家，我国热处理设备落后主要表现在自动化程度不足、功能不全面、设备稳定性差、热处理工件质量离散性大、信息化程度低、产业线集成能力不足等方面。以真空真空退火炉有效加热区长度为例，国外领先水平可达 30m，我国水平只有 16m。
3）高端轴承难点——轴承滚子
滚子是轴承运转时承受负荷的元件，是滚动轴承的关键零件，其精度、性能、寿命和可靠性对成套轴承精度、性能、寿命和可靠性的影响很大。根据滚子形状，轴承滚子主要可分为圆锥滚子、圆柱滚子、球面滚子等。
滚子技术水平的提升和工艺/装备水平相关，国内整体来看和海外水平还有一定差距。参考 JB/T10235-2001 滚动轴承圆锥滚子标准与 JB/T4661-2002 滚动轴承圆柱滚子标准，国际引进设备基本能够达到Ⅰ级，而国产设备多为Ⅱ、Ⅲ级。以圆锥滚子基准端面粗糙度为例，引进设备能够达到 0.125 微米，国产设备仅能达到 0.25 微米。
2.轴承在移动机器人旋转、线性驱动中有望大量应用，带来显著市场增量
根据特斯拉 AI Day2022 信息，特斯拉人形机器人“Optimus”拥有 28 个身体执行器，其中上肢关节模组以无框力矩电机和谐波减速器为主，下肢腿部采用了无框电机与行星丝杠的线性执行器，预计将带来与电机、减速器、丝杠配套的轴承需求。
2.1 减速器轴承：以交叉滚子轴承为主应用在 RV 减速器、谐波减速器上
轴承在工业机器人应用上主要与减速器进行配套，实现各类传动。
工业机器人关节以旋转运动为主，等截面薄壁轴承、交叉滚子轴承为最适合工业机器人的两类特殊轴承。工业机器人配套轴承需要在有限的空间内满足轻量化和高承载的性能要求，在轴承选择上更倾向于重量轻、体积小、精度高、寿命长的薄壁轴承。工业机器人专用轴承主要有等截面薄壁轴承、交叉圆柱滚子轴承和减速器用轴承，它们大多采用非标准、多滚动体等设计原则。其中薄壁交叉圆柱滚子轴承滚子交叉排列，旋转精度高且可承受径向力、双向轴向力与倾覆力矩的共同作用，主要用于机器人手臂等关节；等截面薄壁轴承钢球数目多，承载能力高，多用于机器人腰部、肘部等。
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精选报告来源：报告派
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