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機床作為“工業(yè)母機”在國民經濟和國家戰(zhàn)略安全中具有舉足輕重的地位。根據德國機床制造商協(xié)會（VDW）數據，2021年，中國金屬加工機床產值218.1億歐元（約1660億人民幣），占GDP比重僅約0.1%。金屬加工機床作為金屬制品的核心設備，與金屬制品業(yè)產值直接相關，2021年，我國金屬制品業(yè)營業(yè)收入為4.97萬億元，而金屬制品廣泛應用于包括汽車、航空航天在內的各類制造業(yè)，可以說，金屬制品行業(yè)與各類制造業(yè)息息相關，2021年我國制造業(yè)生產總值為31.4萬億元，機床在我國經濟發(fā)展中扮演了重要的角色。
以數控機床為例，產業(yè)鏈上游以鑄件、鈑焊件、精密件、功能部件、數控系統(tǒng)、電氣元件為主，中游為數控機床成品，主要包括金屬切削機床、金屬成形機床及特種加工機床。下游包括汽車行業(yè)、傳統(tǒng)機械工業(yè)、模具行業(yè)、工程機械、電力設備、軌道交通、船舶制造、航空航天、石油化工、電子信息技術工業(yè)以及其它加工工業(yè)。
數控機床的組成與成本
數控機床由機床主體、數控系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)三部分組成。其中，機床主體是數控機床的“骨架”，成本占比約50%；數控系統(tǒng)是數控機床的“大腦”，成本占比約30%；傳動系統(tǒng)作為數控機床的“四肢”直接影響機床的加工精度，成本占比約20%。
機床主體：數控機床的“骨架”，成本占比50%
機床主體主要包括床身和立柱等基礎支撐部件、工作臺和助系統(tǒng)。基礎支撐部件用于安裝與支撐其他部件和工件，承受其重量和切削力，機床床身需要具備靜剛度高、動剛度好、導受力合理、耐磨性良好、溫度分布合理、精度穩(wěn)定性好等特點；立柱用于支撐主軸箱，立柱需要具備足夠的構件強度、良好的抗震性和抗熱變形性。機床工作臺是機床加工的工作平面，工作臺的大小決定了可加工零件的大小。助裝置是包括氣動或液壓裝置、排屑裝置、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、防護裝置、照明等的配套裝置。
數控系統(tǒng)：數控機床的“大腦”，成本占比30%
數控系統(tǒng)是數控機床的控制中心，由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)組成。
控制系統(tǒng)由數控裝置（計算機）、控制面板、通信接口、PLC等組件組成。控制系統(tǒng)運用邏輯電路或系統(tǒng)軟件，對從內部存儲器中讀取出或從輸入裝置接收到的一段或幾段數控加工程序進行一系列的編譯、運算和邏輯處理，生成刀具運動跡，包括刀具運動跡對應的進給速度、進給方向和進給位移量等基本運動參數，將指令信號給到伺服系統(tǒng)，指導機床各部分按照程序所規(guī)定的指令進行有序動作。
伺服系統(tǒng)的作用為接受來自控制系統(tǒng)的信號，將它變換、放大、轉化為機床工作臺的位移，主要由驅動電路、執(zhí)行元件等組成。驅動電路的作用是將信號進行整形、波、放大從而驅動執(zhí)行元件帶動工作臺；執(zhí)行元件的作用是將控制信號轉化為機械位移，常用的執(zhí)行元件有交流伺服電動機、直流脈寬調速電動機和液壓馬達等。伺服系統(tǒng)需要滿足進給速度范圍大、位移精度高、響應速度快、工作抗干擾能力強等要求。
檢測系統(tǒng)由檢測元件、信號處理電路、比較裝置三部分組成，其作用是將工作臺的實際位移檢測出來并轉換成電信號（檢測信號），且通過比較裝置將指令信號和檢測信號比較，進而給出反信號以控制執(zhí)行元件帶動工作臺移動直至檢測信號和指令信號一致。
工業(yè)母機上游產業(yè)鏈
從上游市場來看，對機床行業(yè)影響較大的主要有鋼鐵、數控系統(tǒng)和功能部件三大類。
在機床生產過程中，原材料成本占比最高，為73.9%，其次是人工、折舊與其他制造費用，分別占比11.9%、7.9%和6.4%。而在原材料成本的進一步拆分中，由鑄件加工而成的底座床身等結構件占比最大，通常在30%-40%左右，價格受鋼材影響較大；其次是數控系統(tǒng)占比22%；由絲杠導軌等傳動機械以及輔助動力系統(tǒng)等組成的傳動系統(tǒng)占比20%；高速主軸和電機等組成的驅動系統(tǒng)占比13%；刀庫、刀塔等占比5%；光柵尺占比2%。通常具備規(guī)模優(yōu)勢的企業(yè)，在進行原材料采購時能夠享受到和采購規(guī)模對應的折扣優(yōu)惠，能有效增加公司毛利率。
（1）鑄件
鑄件為機床底座、床身等基礎大件使用鑄件，鑄件屬于中間加工成品，產品價格主要是在原材料生鐵和廢鋼的基礎上加上一定的加工費。對于高端鑄件，配方、材質、外觀、性能等均會影響價格。
我國鋼材鑄件整體對外依存度較低，產量穩(wěn)居世界第一。大部分國內機床公司選擇將鑄件及毛坯件的粗加工、半精加工等非核心工序進行外協(xié)加工，這是對機床行業(yè)有利的一個因素。我國鑄件包含大量的小型鑄造廠，拖累了我國鑄造行業(yè)的整體產能質量。國內鑄造行業(yè)整體呈現(xiàn)大而不強的局面，行業(yè)集中度較低，尚處于充分競爭階段。應用于中高端機床部件的多種特鋼材料仍需進口，同時在熔煉、回火、退火、淬火等基礎材料熱處理技術也還有待提升。
（2）精密件和功能部件
精密件主要包括主軸單元和絲杠、導軌、軸承等傳動部件等。功能部件主要包括數控回轉臺、刀庫、機械手、齒輪箱、銑頭、刀架等。目前國產中高端機床精密件和功能部件主要來自日本、德國等地區(qū)，部分采購于國內企業(yè)或自制。
我國核心功能部件主要依賴外采。目前國產可替代的核心部件已經逐漸發(fā)展成熟，部分主機廠已逐步使用國產核心部件進行境外品牌替代。但由于技術水平仍存在一定差距，若全部采用國產核心部件，其高端數控機床的精度指標都會受到影響，進而影響銷量。因此目前我國的中高端機床關鍵配套部件主要依賴進口。2019年我國功能部件產值13.7億元，細分結構，產值占比最高的是數控機床功能部件生產產值7.7億元，其中滾珠絲杠副產值2.7億元、滾動導軌副和直線導軌副產值1.8億元、電主軸和機械主軸產值1億元。而進口方面，2019年我國功能部件進口總額達15.3億美元，其中，機床零部件進口額9.0億美元（折合人民幣62.41億元），進口規(guī)模是國產配套零部件產值的8.1倍。
（3）數控系統(tǒng)
數控系統(tǒng)用于數控機床，也可用于原有機床的系統(tǒng)升級和改造，主要包括控制裝置、驅動裝置和檢測裝置。目前我國大型機床生產商主要從日本、德國等技術成熟的國家采購數控系統(tǒng)。
數控系統(tǒng)行業(yè)專業(yè)化分工，市場集中度高，我國中高端數控系統(tǒng)市場被國外企業(yè)占據。在當前機床行業(yè)的產業(yè)鏈分工中，數控系統(tǒng)呈現(xiàn)專業(yè)化以及高度集中化的特點，全球市場主要由日本發(fā)那科、三菱以及德國西門子、海德漢等少數企業(yè)壟斷。目前國內70%以上的數控機床的數控系統(tǒng)使用進口產品，其中發(fā)那科、三菱、西門子三大龍頭2020年合計市場份額就達65%，廣州數控憑借中低端車床數控系統(tǒng)躋身國內市場前列。此外，國內機床終端客戶在產品配套的數控系統(tǒng)的選擇上也有偏好，中高端機床終端用戶更愿意購買使用發(fā)那科等國外數控系統(tǒng)的機床產品。
（4）鈑焊件
鈑焊件是以冷加工工藝對鋼板、鋁板等金屬板材進行加工，形成符合精度要求、功能要求的形狀和尺寸，用于焊接機身起內外防護作用。同時組成功能部件的刀庫支架、直角頭支架以及出水系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等也使用鈑焊件。
（5）電氣元件
電氣元件包括變壓器、接觸器、斷路器及斷電器等。
工業(yè)母機中游產業(yè)鏈
從產品分布來看，中國數控機床主要以金屬切削機床為主，占比53%。金屬成形機床、特種加工機床、其他機床分別占比29%、17%、2%。
（1）金屬切削機床
金屬切削機床用于切削、磨削等加工方法對金屬工件進行加工，使金屬工件成為所需的形狀、尺寸的機床。金屬切削機床應用范圍最廣泛，其在數控機床細分產品占比中最高。金屬切削機床按工作原理分類，可分為車床、磨床、銑床、鏜床和特殊機床共約11類。以2019年日本產值結構為例，金屬切削機床中加工中心占比最高，其次是車床、磨床、特種機床。
金屬切削機床為業(yè)內主要產品，其產量的變化反映出我國制造業(yè)各階段的發(fā)展歷程。1998-2011年國內金屬切削機床呈上升趨勢，復合增長率為16.70%。2011年產量為88.68萬臺，同比增長27.18%，產量達頂峰。隨后2012-2014年產量保持較高水平。隨著海外市場需求的增加，疊加機床更新周期拉動，2021年金屬切削機床產量為60.20萬臺，同比增長34.98%。2022年1-9月產量為34.23萬臺，同比下降9.92%。
1）車床
車床刀具對工件進行加工，以回轉工件繞自身軸線旋轉為特點。主要用于加工圓柱面、車削斷面等，可進行鉆孔、擴孔等加工工序。車床是機械制造與修配工廠中使用最廣的一類機床，在我國金屬切削機床產值中占比大約為20-35%。目前數控車床是我國車床行業(yè)的主流產品，國產數控車床已實現(xiàn)主軸、刀塔、尾座等核心部件的自主生產，具備與國外同行競爭的實力，性價比優(yōu)勢明顯。
“十三五”末期與“十二五”末期相比，國內數控車床單臺均價整體小幅下降，平均價格在16-17萬左右的水平。在當前結構調整、產品升級大背景下，國產數控車床均價小幅下降也體現(xiàn)了我國車床行業(yè)競爭仍然相對激烈。而進口數控車床在數量、金額均下降的背景下，均價仍呈現(xiàn)增長趨勢，我國數控車床在轉型升級和結構調整上取得了不錯的進步，正在逐漸替代進口高端數控車床。
整體來看，2019年國內數控車床市場規(guī)模107億元，目前已基本實現(xiàn)國產替代。2019年國內車床市場規(guī)模200-250億元，其中數控車床市場規(guī)模107億元。近年由于國內持續(xù)淘汰落后產能，中低端數控車床產銷持續(xù)下降，國產數控車床產值已從2011年的141億元快速下降至2019年的63億元。同時，數控車床進口金額下降相對較慢，這也導致從產值角度看近年我國數控車床進口依賴度逐漸提升。
生產車床的國外龍頭企業(yè)有山崎馬扎克、日本西鐵城、日本津上等。國內企業(yè)包括津上（中國）、沈陽機床、秦川機床、浙海德曼等公司。
2）磨床
使用磨具對工件進行加工，大部分磨床利用砂輪進行磨削進行加工。磨床在金屬切削機床中產值占比約為10%左右。磨床可以分為平面磨床、外圓磨床、內圓磨床、軋輥磨床、無心磨床、軸承磨床等。軋輥磨床、無心磨床、軸承磨床國產化率相對較高，其他品類磨床基本依賴進口。
整體來看，2019年國內磨床市場規(guī)模約為85億元，磨床國產化進程緩慢，進口依賴度維持高位。由于磨削加工對精度要求相對較高，國內下游客戶較為依賴進口產品，2011-2019年國產磨床與進口磨床產銷下降幅度基本一致，我國磨床國產化進程緩慢，進口依賴度仍然維持在80%左右的高水平。
生產磨床的國外龍頭企業(yè)有德國昆格里斯、意大利庫米里。國內龍頭企業(yè)為華辰裝備、上海機床、貴州險峰。
3）加工中心
是一種高自動化的數控機床，帶刀庫和自動換刀裝置，生產效率和自動化程度較其他機床有較大的提升。按控制軸分類，可分為三軸、四軸和五軸加工中心；按結構分類，可分為立式、臥式、龍門加工中心。
立式加工中心：立式加工中心是指主軸與工作臺垂直的加工中心，適用于加工板類、盤類、模具、小型殼體等各類零部件，具備結構簡單、占地面積小、功能組合多樣、加工范圍廣、批量加工效率高等優(yōu)點，廣泛應用于各個行業(yè)的零部件加工。立式加工中心是相對較容易突破的中高端機床，2019年我國立式加工中心市場規(guī)模大約為134億元，對進口立加產品依賴度持續(xù)下降，目前已基本實現(xiàn)國產替代。
臥式加工中心：臥式加工中心技術含量高，是數控機床產業(yè)發(fā)展水平的標志性產品之一。臥式加工中心是指主軸與工作臺平行的加工中心機床，適用于多工作面、形狀復雜、精度要求高的產品的批量生產，在汽車、航空航天、船舶和發(fā)電等行業(yè)被廣泛應用。國產臥式加工中心在精度、效率、智能化和可靠性等方面與國際先進產品仍有差距，目前國內高檔臥式加工中心主要依賴進口。2019年國內臥式加工中心需求規(guī)模約為80億元，其中國產機床占比23%。整體來看，近年我國臥式加工中心國產替代穩(wěn)步推進，但進度較為緩慢。
龍門加工中心：龍門加工中心主軸與工作臺垂直，整體是門式結構的大型加工中心，適用于加工大型工件和形狀復雜的工件，在航空航天、軍工、高鐵、模具、船舶、汽車等領域應用廣泛。由于大型、重型機床市場競爭相對較小，國內機床廠家紛紛轉向研發(fā)生產相關機床產品，使得國內產品順利在中低端市場實現(xiàn)了進口替代。但中小型、個性化龍門產品需求日益增多，國內企業(yè)在新品開發(fā)以及產品性能等方面存在差距。定制化、高精高速等高端龍門加工中心主要依賴從歐洲、日本等地區(qū)進口。
加工中心領域的國外龍頭企業(yè)有山崎馬扎克、德瑪吉森精機、德國哈默、日本大隈等。國內企業(yè)包括國盛智科、海天精工、科德數控、創(chuàng)世紀等。
（2）金屬成形機床
金屬成形機床又稱鍛壓設備，指在鍛壓加工中用于金屬成形和分離的設備。鍛壓設備包括成形用的鍛錘、機械壓力機、液壓機、螺旋壓力機和平鍛機，以及開卷機、矯正機、剪切機、鍛造操作機等輔助設備。數據顯示，2021年中國金屬成型機床產量達21.0萬臺，同比增長4%。2022年1-5月，中國金屬成型機床產量達13.4萬臺，同比增長36.7%。
金屬成形機床國外龍頭企業(yè)包含日本天田、瑞士百超、加拿大愛克、德國通快等。國內企業(yè)包含亞威股份、江蘇金方圓、江蘇揚力等。
（3）特種加工機床
利用電能、電化學能、光能及聲能等進行加工的方法。加工方法包括：（1）火花加工：利用電能對零件進行加工，產品包括電火花成形加工機床、電火花切割加工機床。火花加工適用于加工任何導電材料，其特點為加工時無切削力、便于實現(xiàn)自動化。（2）超聲波加工：適用于加工不同不導電的硬脆材料，由于加工過程中不需要旋轉，易于加工復雜形狀的表面等。（3）激光加工：主要用于打孔和切割，由激光器、光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)等組成。
工業(yè)母機下游產業(yè)鏈
從數控機床下游應用分布來看，汽車是主要的下游需求領域，應用占比約為40%；其次是航空航天應用比重約為17%，汽車和航空航天應用比重超過下游總行業(yè)的50%；模具和工程機械分別為機床產品第三、第四應用領域，占比分別為13%、10%左右。
（1）汽車工業(yè)
數控機床對汽車工業(yè)的影響主要體現(xiàn)在占整車全部裝備價值70%左右的汽車零部件加工領域，汽車領域對機床的需求已經超越了整車制造商對機床的需求。2018-2021年我國新能源汽車銷量從126萬輛提高至352萬輛，復合增速達41.0%。目前新能源汽車制造向輕量化、一體化轉型，一體化成形的異型結構件有望持續(xù)為高端數控機床中的五軸機床應用提供機遇。
金屬切削機床下游最大應用為汽車行業(yè)，占比達45%。金屬切削機床下游產業(yè)包括汽車、機械、軍工和其他，汽車行業(yè)為最大的下游應用，2020年汽車占比達45%。數控金屬切削機床下游應用相對分散，2020年汽車行業(yè)占比30%，通用機械、3C電子也是重要的下游應用。
汽車行業(yè)作為機床下游最大應用，與金屬切削機床行業(yè)相關性較高。汽車行業(yè)需要大批量生產高精度復雜工件，比如制動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等都離不開精密機床的加工。發(fā)動機加工需要高效、高性能、專用數控機床和柔性生產線；零配件加工需要數控車床、立臥式加工中心、數控高效磨床等設備的參與。新能源汽車使“電機、電池、電控”成為機床新的應用場景。
（2）工程機械
工程機械行業(yè)同樣為機床重要的下游行業(yè)。2016-2020年我國工程機械銷量從12.0萬臺增長至41.2萬臺，復合增長率達36.0%；市場銷售額從101億美元增長至342億美元，復合增長率達35.7%。我國工程機械市場的快速增長主要受到基礎設施建設規(guī)模擴張、房地產投資增速加快以及大型礦山生產需求回暖等因素的拉動，同時，環(huán)保法規(guī)升級和監(jiān)察力度加強也促使舊機更新速度加快。
（3）航空領域
高端數控機床主要市場為軍用飛機及民用飛機市場。根據《中國商飛公司市場預測年報（2020-2039）》，預計到2039年，我國GDP年均增長率約為4.3%，機隊年均增長率約為4.1%，旅客周轉量年均增長率為4.3%，預計我國將交付8725架客機，旅客周轉量將達到4.1萬億公里，約占全球五分之一。飛機整機制造具備產業(yè)鏈帶動效應，是國內制造業(yè)轉型升級的重要契機。航空航天作為高端制造領域，以葉輪葉盤為代表的的典型復雜曲面零件必須由高端五軸聯(lián)動機床加工完成，因此飛機產業(yè)的快速發(fā)展對高端裝備國產化替代進口提出了強烈的需求并創(chuàng)造了更大的市場空間，將成為國內機床企業(yè)的重要市場增長點。同時產業(yè)集群效應將加速全球航空制造業(yè)向我國遷移，未來市場空間超過2.7萬億元的維修保障、工程服務等航空后市場也將向國內企業(yè)開放，將帶來新的市場及機遇。
來源：報告研究所、慧博資訊、賢集網
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