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東莞市斯耐克數(shù)控科技有限公司
2021-08-24 09:11:35

數(shù)控機床深度解析:國之重器“工業(yè)母機”

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機床與其他機器的主要區(qū)別在于,機床是制造機器的機器,同時也是制造機床本身的機器,因此機床又被稱為“工業(yè)母機”或“工具機”。

機床為裝備制造業(yè)提供生產(chǎn)設備,凡是對加工精度要求較高,表面粗糙度要求較細的零部件都需要通過機床加工。因此機床在制造業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。


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隨著電子信息技術的發(fā)展,當前機床行業(yè)已進入以數(shù)控機床為代表產(chǎn)品的機電一體化時代。

數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床,較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題,是一種柔性的、高效能的自動化機床,代表了現(xiàn)代機床控制技術的發(fā)展方向。
國內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)品結構主要由數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控金屬成形機床、數(shù)控特種加工機床組成。其中,數(shù)控金屬切削機床規(guī)模最大,占總產(chǎn)品規(guī)模的53.20%,數(shù)控金屬成形機床和數(shù)控特種加工機床組成分別占總產(chǎn)品規(guī)模的28.50%、16.80%。

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根據(jù)《中國制造2025規(guī)劃》,到2025 年,我國高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備國內(nèi)市場占有率目標將超過80%,高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備總體進入世界強國行列。

機床行業(yè)具有明顯的周期性,機床的一般產(chǎn)品壽命約為10年,因此行業(yè)大約每7-10年為一個商業(yè)周期,新一輪周期從2009年開始,在2011年全球機床消費量和產(chǎn)值達到頂峰后回落,2019年全球機床消費821億美元,同比下降13.8%,目前全球行業(yè)仍然處于周期底部。
近年來,雖然我國數(shù)控機床行業(yè)整體盈利能力出現(xiàn)部分下滑,但產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍呈現(xiàn)上升趨勢。中國機床工具行業(yè)協(xié)會預測,2021年我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模將增長5%,意味著將突破3,400 億元。
目前,我國處于產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整升級階段,先進制造業(yè)將逐步替代傳統(tǒng)制造業(yè),作為工業(yè)母機的高性能數(shù)控機床的市場需求將大大增加。


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數(shù)控機床相比于傳統(tǒng)機床,具備高精密、高速度、復合化、智能化、環(huán)保化的多重優(yōu)勢,承載著工業(yè)現(xiàn)代化的特殊使命。

數(shù)控機床并非普通工業(yè)投資品,高檔數(shù)控機床及系統(tǒng),如五軸聯(lián)動機床,直至現(xiàn)在仍被列在發(fā)達國家貿(mào)易限制清單,作為戰(zhàn)略物資限制關乎國家經(jīng)濟、軍事、工業(yè)安全。
當前世界機床行業(yè)是一個完全競爭的行業(yè),主要機床大國包括德國、日本、美國、中國等國家。
中國機床行業(yè)起步晚,但整體發(fā)展迅速,近年來在技術、市場規(guī)模上都有顯著增長。但是與德、日、美相比,我國機床結構仍存在較大優(yōu)化空間,數(shù)控化率提升是行業(yè)大趨勢,整體市場龐大且發(fā)展前景廣闊。

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數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)鏈


機床產(chǎn)業(yè)鏈上中下游清晰,包括上游基礎材料和零部件生產(chǎn)商、中游機床本體制造商和下游終端用戶。
上游基礎材料和零部件生產(chǎn)商主要為機床制造商提供結構件(鑄鐵、鋼件等)、數(shù)控系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)(驅動電機和驅動裝置)、傳動系統(tǒng)(導軌、絲杠、主軸等)、刀庫等組成,中游是機床本體制造商,負責向終端用戶提供滿足其要求的各種機床或成套的集成產(chǎn)品;下游用途十分廣泛,終端用戶主要是汽車、軍工、航天航空、船舶、石化、工程機械、消費電子等各類領域。

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                 上游:核心零部件圖片

上游裝備部件作為數(shù)控機床的基本組成部分,其品質(zhì)是數(shù)控機床等智能制造裝備產(chǎn)品性能和質(zhì)量的重要保障。
其中,精密件、功能部件和數(shù)控系統(tǒng)市場結構穩(wěn)定,價格波動不大,鈑焊件和鑄件市場競爭充分,價格波動主要來自生鐵、鋼材等原材料成本的推動。
我國功能部件行業(yè)的發(fā)展相對緩慢,產(chǎn)業(yè)化和專業(yè)化程度低,電主軸、滾珠絲杠、數(shù)控刀架、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等雖已形成一定的生產(chǎn)規(guī)模,但受到技術限制,僅能滿足中低檔數(shù)控機床的配套需要,國產(chǎn)中高檔數(shù)控機床采用的功能部件仍嚴重依賴進口。光機、鈑金等機床部件國產(chǎn)已經(jīng)較為成熟。
由于進口機床價格昂貴、交貨期長等因素使得國產(chǎn)中高檔數(shù)控機床價格居高不下,嚴重影響了其市場競爭力。

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結構件

結構件中鑄鐵、鑄鋼件通過精加工形成機身、支柱等,成本占比25%左右。
鑄件與鈑金零部件主要包括機床內(nèi)外防護罩、伸縮護蓋、排屑機精密鈑焊件、其他機床鈑金小附件等。
數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控系統(tǒng)即CNC系統(tǒng),通過編程實現(xiàn)金屬切削的命令產(chǎn)生和傳達,成本占比25~30%。
2020年,我國CNC數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模達116億元,同比增長33%。2021-2022年我國CNC數(shù)控系統(tǒng)有望保持穩(wěn)健增長。
計算機技術演化下,全球數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了數(shù)控(NC)和計算機數(shù)控(CNC)時代。目前行業(yè)所指的“數(shù)控”均為計算機數(shù)控。
高檔數(shù)控系統(tǒng)算法復雜空間建模know-how、優(yōu)化補償技術、可靠性、應用延展能力等構成數(shù)控系統(tǒng)重要門檻。除此之外,芯片、光纖通訊對系統(tǒng)性能提升也起到關鍵作用。
我國高檔數(shù)控系統(tǒng)長期被發(fā)那科、三菱、西門子、海德漢等外資企業(yè)所壟斷。這些龍頭企業(yè)均采用專用芯片,有多類型輸出信號供不同用戶需求之用,既可控制主機,也可控制機器人,及線上各部分物流的動作。
國內(nèi)廠商科德數(shù)控、北京精雕自產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)配套使用,走在國產(chǎn)前列。斯耐克數(shù)控、廣州數(shù)控等專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng),用于機床、機器人等領域。

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驅動系統(tǒng)

驅動系統(tǒng)將數(shù)控系統(tǒng)的控制信號轉化為相應的機械位移,分為液壓驅動(液壓泵閥、油缸)和電驅動(例如伺服驅動器和步進電機)兩類,成本占比約15%左右。
傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)是機床部件運動的載體,直接影響加工精度,我國機床企業(yè)主軸、絲杠等依賴外采,成本占比約為15%~20%。
機床主軸是數(shù)控機床最重要的核心零部件之一,集高轉速、高精度、高效率、高可靠性于一體,其技術水平的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定和影響著機床的品質(zhì)。
主軸分為機械主軸和電主軸兩類,機械主軸軸承一般需具備P4及以上級超精密度,國內(nèi)軸承廠加工能力仍有較大差距;電主軸則是跨行業(yè)綜合技術的結合,包括精密制造技術,軸承技術,電機調(diào)速技術,功率40KW以上依賴進口。
國內(nèi)電主軸以洛陽軸承研究所最具代表性,民營如昊志機電在3C數(shù)控雕銑電主軸取代進口份額。
長期來看,高性能電主軸克服傳統(tǒng)機械主軸缺點,替代機械主軸是大勢所趨。
電主軸在數(shù)控機床中的位置與工作狀態(tài):

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數(shù)控機床使用的滾珠絲杠,具備高效性能、精密定位、精密導向、對CNC指令反應快速等功能。國內(nèi)絲杠企業(yè)存在產(chǎn)值規(guī)模小,運營不規(guī)范等特點,缺乏可與NSK、THK、Rexroth等比肩的知名企業(yè)。

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功能部件

功能部件中包括刀庫(成本占比5%)、光柵尺(成本占比2%)和齒輪箱等。
我國嚴重依賴進口的刀具集中在航空航天、軍工、汽車發(fā)動機等領域,高端刀具進入門檻包括基體新材料的研發(fā)、涂層技術開發(fā)和應用、結構創(chuàng)新設計。
目前我國機床刀具市場相當分散,領先的外資企業(yè)包括山特維克(Coromant)、美國肯納(Kennameta)、日本京瓷(Kyocera)、伊斯卡(Iscar)等,內(nèi)資品牌包括株洲鉆石(ZCC)、廈門金鷺、華銳精密和歐科億等。

中游:本體制造圖片

作為典型的機電一體化產(chǎn)品,數(shù)控機床是機械技術與數(shù)控智能化的結合,可分為金屬切削(車削、銑削、鏜、鉆、磨等)、成形機床(壓力機、剪板機、折彎機等)、特種加工(電火花線切割機床、電火花成型機床等)、加工中心(多軸聯(lián)動、柔性加工單元)以及其他產(chǎn)品。
市場格局方面來看,第一梯隊為跨國公司及外資企業(yè),由于品牌、技術等優(yōu)勢,在高端市場占據(jù)主導地位。第二梯隊包括具備自主研發(fā)能力,掌握核心技術的國有企業(yè)或民營企業(yè)。第三梯隊是主攻低端產(chǎn)品市場的企業(yè)。

當前全球機床市場仍以德國、日本、美國的機床廠商為主,根據(jù)賽迪顧問發(fā)布的《2019年數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)》,營業(yè)收入前十名的公司全部被德日美三國的公司包攬,其中前十名中有3家來自德國,日本廠商數(shù)量最多,為4家,美國2家,德日合資企業(yè)1家。

榜單中,山崎馬扎克以52.8億美元位列第一,德國通快營收達42.4億美元,位居全球第二,德馬吉森精機位居第三。

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近年來,國內(nèi)民營企業(yè)逐漸成長為主力軍,各家機床廠產(chǎn)品各有側重,形成高度分散的競爭格局。

從國內(nèi)市場看,部分制造商已經(jīng)形成一定規(guī)模,并且在特定機床產(chǎn)品中形成了自身優(yōu)勢。

目前中國已出現(xiàn)包括海天精工、創(chuàng)世紀、國盛智科、科德數(shù)控、浙海德曼在內(nèi)的十余家主機廠上市公司。其中創(chuàng)世紀以鉆攻中心和立式加工為優(yōu)勢產(chǎn)品,秦川機床在車床市場具備優(yōu)勢,海天精工則立足于生產(chǎn)各類加工中心,亞威股份在成形機床市場中占據(jù)較強的優(yōu)勢。

2020年中國主要機床制造商比較:



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從全市場看,創(chuàng)世紀、秦川機床、海天精工、紐威數(shù)控和亞威股份市占率位居前五,分別為2.85%、1.57%、1.47%、1.06%和0.98%,上市公司CR5預測市占率僅為7.81%,不足10%,行業(yè)集中度極度分散。

下游:電子和軍工需求旺盛圖片

從數(shù)控機床下游領域來看,電子、軍工等領域需求旺盛,疊加格局優(yōu)化后的國產(chǎn)替代提速。
一方面中美貿(mào)易戰(zhàn)背景下高端機床進口受限,創(chuàng)世紀、海天精工、潤星科技等民營機床企業(yè)打開空間,使得國產(chǎn)替代提速;另一方面,航天軍工、3C電子(5G+蘋果)、工程機械、模具(防疫相關帶動)的機床需求旺盛,成為順周期復蘇的增長亮點。另外機床第一大應用下游的汽車行業(yè)疫情后也快速恢復,帶動機床需求。

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行業(yè)發(fā)展趨勢:高端化及自主化國產(chǎn)替代加速
中國數(shù)控機床行業(yè)自上世紀90 年代末快速發(fā)展至今,已經(jīng)由過去的開發(fā)增量發(fā)展到現(xiàn)在的優(yōu)化存量階段,比如近年來對數(shù)控機床需求占比最大的汽車、航空航天和模具等領域都向著輕質(zhì)化、多構型化及低成本制造等方面發(fā)展,新材料的運用越來越廣泛,對數(shù)控機床的加工能力也提出越來越高的要求。
但是我國數(shù)控機床行業(yè)存在明顯的供需矛盾,主要體現(xiàn)在低檔數(shù)控機床的產(chǎn)能過剩和高檔數(shù)控機床的供應不足而導致供給側結構性失衡。

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根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計,我國低端數(shù)控系統(tǒng)及零部件已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,但中高端機床在穩(wěn)定性、加工效率、壽命仍有差距。我國高端數(shù)控機床國產(chǎn)化率僅為6%,中/低檔機床國產(chǎn)化率已達到65%/82%。

隨著下游產(chǎn)業(yè)的不斷升級發(fā)展,對機床加工精度和精度穩(wěn)定性等要求越來越高,中高端產(chǎn)品的需求日益凸顯,更新升級需求大。中國機床市場結構升級將向自動化成套、客戶定制化和普遍的換擋升級方向發(fā)展,產(chǎn)品由普通機床向數(shù)控機床、由低檔數(shù)控機床向中高檔數(shù)控機床升級,有望進一步向高端化、集成化、服務化、自主化方向發(fā)展。
在國產(chǎn)中高檔數(shù)控機床在存量更新、進口替代以及下游行業(yè)景氣的大背景下,行業(yè)整體有望迎來加速發(fā)展。



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