杏彩体育登录_产业洞察 工业机床行业深度研究报告：工业母机国产替

　　机床作为“工业母机”在国民经济和国家战略安全中具有举足轻重的地位。根据德国机床制造商协会（VDW）数据，2021年，中国金属加工机床产值 218.1亿欧元（约1660亿人民币），占GDP比重仅约0.1%。金属加工机床作为金属制品的核心设备，与金属制品业产值直接相关，2021年，我国金属制品业营业收入为4.97万亿元，而金属制品广泛应用于包括汽车、航空航天在内的各类制造业，可以说，金属制品行业与各类制造业息息相关，2021年我国制造业生产总值为31.4 万亿元，机床在我国经济发展中扮演了重要的角色。

　　与市场不同的观点：我国具备全球竞争力的新能源产业有望带动国产机床进口替代加速。我们认为机床的国产替代是通过技术进步在特定场景实现替代，提升国产化比例，并进一步精进技术以打开空间。复盘机床强国及知名机床公司成功的共性，具备全球竞争力的优势制造业反哺至关重要。比如德国、日本的汽车产业造就了以通用和效率著称的龙头公司，瑞士的钟表产业孕育了超高精度的隐形冠军。我国新能源产业具备全球竞争力，2022年上半年，中国新能源汽车全球销量占比59%，2021年中国风电新增装机容量全球占比 51%。并且，汽车是数控机床最大的下游应用，2020年占比达 30%，虽然动力总成由发动机、变速箱切换至三电系统，对金属切削机床需求有所下降，但是其对机床的需求量依然非常可观。

　　机床是制造机器的机器，是大多数机械制造的源头工具，被称为“工作母机”或“工业母机”。广义上的机床包括金属加工机床、木工机床、特种机床等，狭义上的机床一般指金属加工机床。金属加工机床分为金属成形机床与金属切削机床。金属切削机床是本报告重点研究对象。金属成形机床包括折弯机、卷板机、压力机、剪板机等，可以实现锻造和冲压等加工工艺。金属切削机床按照加工性质和所用刀具可以分为车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床等；按照是否配备数控系统可以分为数控机床和非数控机床。具备多种加工性质的数控机床被称为加工中心。

　　加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。工件在加工中心经一次装夹能对两个以上的表面进行多种工序的加工，并且可以实现自动换刀，从而大大提高生产效率。相比普通数控机床，加工中心具有多重优势：1) 避免重复定位误差：工件仅需一次装夹，避免多次装夹所造成的定位误差，可提高工件加工质量；2) 提高生产工作效率：工件在加工中心一次装夹完成多道工序，生产准备时间大大缩短， 提高生产效率，其效率是普通数控机床的 5～10 倍；3) 提高厂房面积利用率：加工中心可替代多个单一功能机床，减少厂房需放置的机床数量，同时，可降低半成品数量，厂房无需预留大面积储存。

　　加工中心根据结构不同可以分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门加工中心，各类加工中心特点如下：1) 立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，通常其主轴可以沿Z轴运 动，而工作台可以沿X、Y轴运动；适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件；具有体积小、工件安装调整方便、重力使工件稳定等优势；但是立式加工中心立柱高度有限，不适用高度过大的工件，且排屑困难，切屑容易损伤工件表面。2) 卧式加工中心是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，是技术难度最高的一类加工中心，通常情况其主轴可以沿Z、X/Y轴运动，而工作台仅可以沿Y/X轴运动；适用于加工箱体类零件、精度高、排屑容易；但是占地大、成本高。3) 龙门加工中心的主轴轴线与工作台垂直，整体结构是由双立柱和顶梁构成的门式结构；适用于加工超大型工件；通常由于工件多不易移动，工作台一般固定不动或仅沿一个方向运动，加工通过龙门架或横梁的移动来完成。

　　机床的档次是相对的，目前没有行业统一标准。业内通常将高档数控机床定义为具有高速、 精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。《高档数控机床和机器人》（杨正泽、，2018）一文中，将采用半闭环的直流伺服系统及交流伺服系统的数控机床划为中高档；将2-4轴或3-5轴以上的数控机床划分为中高档；将具有通信和联网功能的数控机床划分为高档。根据科德数控招股说明书，科德数控定义高端机床为高精度、高复杂 性、高效、高动态、重型数控机床。

　　五轴联动数控技术是衡量一个国家复杂精密零件制造能力的重要标准之一。加工中心按联动轴数分类，可分为三轴加工中心、四轴加工中心和五轴加工中心。5个联动轴是实现任意角度加工所需要的最少联动轴数，也是实现空间任意曲面加工的必备技术。目前，五轴联动加工中心是加工叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、涡轮转子、大型柴油机曲轴等复杂曲面零件的唯一手段，具有不可替代性。

　　五轴联动机床的优势在于：1) 高精度：五轴联动可提高加工精度；且五轴联动机床的刀具相对于工件的角度可任意调节，因此可以实现刀具小长径比，以及利用刀具的最佳切削点进行切削，从而获得更高的加工表面质量；2) 高效率：刀具小长径比使其在合理负载的条件下实现更高的切削速度；且零件可以通过一次装夹完成加工，效率更高；3) 高柔性：柔性是指机床加工不同工件的能力，五轴联动机床仅需极少量快速调整就可以实现不同工件的加工，适用于多品种小批量生产的柔性生产模式；4) 高刀具寿命：短刀具振动小，可以延长刀具寿命。五轴联动不同于五轴驱动，五轴联动是指在一台机床上至少有五个坐标轴（三个直线坐标 和两个旋转坐标），而且可在计算机数控系统的控制下同时协调运动进行加工。

　　西方国家将五轴联动数控机床视为重要的战略物资，对我国实行封锁限制。经过近二十年的不懈努力，我国在五轴联动数控关键技术方面取得了长足进步。然而，国产五轴联动数控机床与世界先进水平还存在一定差距，例如在精度方面，国外已实现纳米级精度，而国内仍停留在微米级水平。

　　2021年，全球金属加工机床产值走出疫情影响，同比增长 20%。根据 VDW 数据，2021年全球金属加工机床产值达到了 709 亿欧元，同比增长 20%，其中，全球金属切削机床产值为 501 亿欧元，金属成形机床产值为 207 亿欧元，约为 70%与 30%，且近几年该占比稳定。

　　中国是全球金属切削机床产值第一的国家。2021年，中国金属切削机床产值 141 亿欧元， 全球市场份额 28.15%，约等于二三名日本、德国之和。中国金属切削机床产值在金属加工 机床中占比约 64%，该占比近年稳定在 60%-65%之间。

　　机床产业链上游为机床产业提供基础材料和零部件，包括机械结构、功能部件、电气元件和数控系统等。机床的下游应用广泛，涵盖各类制造业，包括汽车制造、航空航天、模具 制造、工程机械、3C 电子、电力设备、船舶、军工等。

　　金属切削机床下游最大应用为汽车行业，占比达 45%。金属切削机床下游产业包括汽车、 机械、军工和其他，汽车行业为最大的下游应用，2020年汽车占比达 45%。数控金属切削 机床下游应用相对分散，2020年汽车行业占比 30%，通用机械、3C 电子也是重要的下游应用。

　　汽车行业作为机床下游最大应用，与金属切削机床行业相关性较高。汽车行业需要大批量生产高精度复杂工件，比如制动系统、动力系统等都离不开精密机床的加工。发动机加工需要高效、高性能、专用数控机床和柔性生产线；零配件加工需要数控车床、立卧式加工中心、数控高效磨床等设备的参与。新能源汽车使“电机、电池、电控”成为机床新的应用场景，机床厂纷纷为“三电”布局：创世纪推出动柱式龙门系列服务于新能源细分市场， 目前三款机型已量产；海天精工推出的HPC1000卧式加工中心、BEL/BFL 高速龙门加工中心、CFV1000Lite 立式加工中心、CHM550 立式加工中心分别适用于前后副车架、电池 底盘、电池与电控管理、电池底盘边梁与防撞梁的加工。

　　3C 电子是数控金属切削机床重要应用之一。3C 电子中的金属结构件（如不锈钢、钛、铝 合金等）和非金属结构件都需要采用数控机床进行精密加工，此类结构件约占电子产品成本的 5-10%。全球范围内消费电子的用户规模不断扩大，尤其是各类智能终端产品的普及， 使得消费电子产品下游需求持续旺盛。钻攻机常用于 3C 电子结构件的加工，其本质为针对钻孔攻等场景优化的小型立式加工中心。相比加工中心，钻攻机具有加工效率高、价格低、重量小等优势，但是不能进行强力铣削和大负荷加工，以上特点决定了钻攻机适用于 3C 电子结构件加工的应用场景。

　　航空航天是高端机床的重要应用。航空航天领域的机身结构件、发动机关键结构件、起落架等，大量采用钛合金、高强度耐热合金钢、工程陶瓷等难加工材料和先进复合材料。因此，航空航天工业对高速、精密、复合、多轴联动等高技术数控机床产品都有很大需求， 涉及重型、超重型以及极限制造装备等。

　　数控机床由机床主体、数控系统、传动系统三部分组成。其中，机床主体是数控机床的“骨架”，成本占比约 50%；数控系统是数控机床的“大脑”，成本占比约 30%；传动系统作为数控机床的“四肢”直接影响机床的加工精度，成本占比约 20%。

　　机床主体主要包括床身和立柱等基础支撑部件、工作台和助系统。基础支撑部件用于安装与支撑其他部件和工件，承受其重量和切削力，机床床身需要具备静刚度高、动刚度好、 导受力合理、耐磨性良好、温度分布合理、精度稳定性好等特点；立柱用于支撑主轴箱， 立柱需要具备足够的构件强度、良好的抗震性和抗热变形性。机床工作台是机床加工的工作平面，工作台的大小决定了可加工零件的大小。助装置是包括气动或液压装置、排屑 装置、冷却系统、润滑系统、防护装置、照明等的配套装置。

　　控制系统由数控装置（计算机）、控制面板、通信接口、PLC 等组件组成。控制系统运用逻辑电路或系统软件，对从内部存储器中读取出或从输入装置接收到的一段或几段数控加工程序进行一系列的编译、运算和逻辑处理，生成刀具运动迹，包括刀具运动迹对应的进给速度、进给方向和进给位移量等基本运动参数，将指令信号给到伺服系统，指导机床各部分按照程序所规定的指令进行有序动作。

　　伺服系统的作用为接受来自控制系统的信号，将它变换、放大、转化为机床工作台的位移， 主要由驱动电路、执行元件等组成。驱动电路的作用是将信号进行整形、 波、放大从而驱动执行元件带动工作台；执行元件的作用是将控制信号转化为机械位移，常用的执行元件有交流伺服电动机、直流脉宽调速电动机和等。伺服系统需要满足进给速度范围大、位移精度高、响应速度快、工作抗干扰能力强等要求。检测系统由检测元件、信号处理电路、比较装置三部分组成，其作用是将工作台的实际位移检测出来并转换成电信号（检测信号），且通过比较装置将指令信号和检测信号比较，进而给出反信号以控制执行元件带动工作台移动直至检测信号和指令信号一致。

　　机床机械传动系统通常由 、导 、螺母、主轴箱、刀架刀具系统等组成 ，起着为工件加工过程提供往复移动的作用。由于数控机床的机械结构参数要与整个系统的电气参数相匹配，所以不仅要求其机械传动系统的结构紧凑、体积小、重量轻、精度高、刚度大， 还要求其在传动过程中摩擦小、间隙小、惯量小等。因此，数控机床的机械传动系统需尽 量简化，采用低摩擦、无间隙、高强度的传动零部件。

　　具有摩擦系数小、传动效率高、定位精度好等特点，其精度直接影响数控机床的定位精度。机床导是支承和引导运动构件沿着一定 迹运动的零件，机床导与机床精度有直接联系，且一旦损坏难以维修。机床导需要具有导向精度高、精度保持性好、刚度大、摩擦特性良好等特点。其中，精度保持性是国内外机床导的重要差异之一，影响精度保持性的主要因素是导的磨损，此外，其还与导的结构形式及支撑件（如床身）的材料有。