林侧艺术照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。

　　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。据央视财经频道报道，2022年下半年，受新能源汽车拉动，机床公司订单增长明显，表明我国机床公司有能力承接新能源行业相关订单。我们认为我国机床公司在新能源的拉动下，有望加速进口替代。

　　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、李向东，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。

　　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；

　　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液压马达等。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）的材料有关，机床通常采用动导或静压导 。

　　主轴箱用于布置机床工作主轴及传动零件和相应的附加机构。主轴箱是一个复杂的传动部件，包括主轴组件、换向机构、传动机构、制动装置、操纵机构等，其主要作用是支承主轴并使其旋转，实现主轴启动、制动、变速和换向等功能。零件加工过程的不断往复意味着主轴单元的振动和受力在不断变化，同时，工作过程中突然出现的振动会极大地影响加工质量，这就要求主轴单元具备良好的静刚度、动平衡特性及工作精度。

　　刀架刀具系统，是刀具与机床能可靠安装并进行切削的重要部件。刀架实现刀盘自动转换、定位与刀具装夹。刀架系统依据驱动方式可以分为液压与电动。

　　中国机床产业“大而不强”。“大”体现在我国机床产值全球领先，2021年，我国金属切削机床产值全球市场份额28.15%，约等于二三名日本、德国之和。“不强”则体现在中国仅有规模优势没有技术优势，低端产品产能过剩，中高端产品在结构、水平、研发等方面与机床制造强国存在差距。

　　国内与海外机床的核心差距体现在整机可靠性、精度、精度保持性、机床寿命、效率与智能化程度，这也是我国机床产业应继续努力的方向。

　　整机可靠性方面，国产中高档数控机床平均无故障时间约2000小时，与机床强国约5000小时有较大差距。精度方面，国际先进水平的超精密机床具有小于1μm的定位精度，相比之下，我国用于精密加工的机器的加工精度可达2-5μm。精度保持方面，国内机床全生命周期内的几何精度、主轴旋转精度、运动控制精度的保持性较差，与海外尚有一定差距。机床寿命方面，保养得当的情况下，国内机床平均寿命约10年，而国外高端机床寿命可达15年。机床寿命低的原因除保养维修不及时、机床结构设计不合理外，还在于关键零件（如机床导 ， 杆、齿轮、主轴、液压系统的油缸、阀件及油 ）质量较差。为了恢复机床的精度和使用性能，就必须对机床进行大修理，多次修理将提高企业运营成本。效率方面，国产普通精度机床切削时间仅占机床开动时间的15%~30%，主轴加速度小于0.8 g，而国外普通精度机床切削时间占机床开动时间的60%~90%，最低加速度范围为1-1.5 g。高端机床智能化水平方面，国外开发的新机床已实现机床智能化，可支持多单元联网，具有如加工参数智能设置、加工过程安全监控等功能。中国企业在智能化方面尚处于起步阶段，差距较大。

　　机床制造由上千个环节组成，每个环节都不能大而化之，否则制造误差将会累计，使机床质量产生天壤之别。国产机床与进口机床差距就是在各个环节中逐渐拉大的，唯有做到精细管理、精益制造才能逐步缩小国产机床与世界先进水平的差距。

　　金属切削机床市场竞争格局可以概括为分层明显、相对分散。分层是指机床因精度、可靠性、效率等差异导致同规格机床价格差距非常大，不同品牌价格差距可超过10倍，以常见的850立加为例，其价格范围覆盖18-150万/台，每个品牌都在所属价格段竞争，跨价格段几乎不存在竞争关系。分散指国内金属切削机床市场集中度低，2020年，中国数控金属切削机床市场收入CR10仅30%，龙头厂商创世纪市占率仅5%。一方面机床品类众多，一家公司很难擅长多个品类；一方面机床组装依赖人工，规模扩张比较难。

　　细分市场竞争格局方面，根据机床制造难度和竞争激烈程度可分为五轴、卧加&龙门、立式加工中心和其他金属切削机床四个层次。

　　1)五轴加工中心：五轴为代表的高端市场长期由海外公司主导，2021年国产化率约为17%，毛利率可超过40%；

　　2)卧加、龙门加工中心：竞争格局良好，毛利率可超过30%，且国内民营企业异军突起；

　　3)立加、普通数控机床：通用且市场空间大，竞争相对激烈，毛利率一般不超过20%；

　　五轴加工中心代表了机床加工的最高水平，生产壁垒高，利润率较好。五轴加工中心制造难度大且具有不可替代性，因此五轴加工中心利润率较好，以科德数控为例，2021年其五轴加工中心毛利率达43.62%。2017-2019年，我国五轴加工中心产量从477台升至780台，国产厂商销售额从7.1亿元升至11.3亿元，当前我国五轴加工中心产量占数控机床产量比例尚不足1%。

　　五轴加工中心市场海外公司占据主导地位，国产化率约17%，且外资企业将持续布局中国五轴市场。据MIR数据，2021年中国五轴加工中心销量为5644台，中国机床工具工业协会尚未披露2021年国产五轴加工中心销售量，根据科德数控招股说明书，2019年国产五轴加工中心销售量为780台，假设其以每年10%的增速增长，则2021年国产五轴加工中心销售量约为944台，对应五轴机床国产化率约为17%。据格劳博官网，其总投资1.3亿人民币在大连开工建设五期新工厂，该工厂计划于2022年8月正式竣工投产，新工厂将用于系统机床、柔性交钥匙生产线以及四轴和五轴通用加工中心的装备生产。德玛吉官网发布，为了满足中国市场需要，投资7,500万欧元在平湖建设全新工厂，新工厂主要生产五轴加工中心机床，计划于2023年春季投产。

　　卧式、龙门加工中心竞争格局良好。卧式、龙门加工中心的毛利率相对合理，以海天精工为例，2021年其卧式加工中心毛利率36.12%，龙门加工中心毛利率30.03%。

　　海外公司占据我国高端卧式、龙门加工中心市场主要份额，近年民营企业异军突起。2021年我国进口卧式加工中心2094台，进口均价约为240万元；进口龙门加工中心719台，进口均价约256万元。海天精工2021年销售卧式加工中心282台，均价为155万，销售龙门加工中心937台，均价149万元，作为国内高端机床领军企业，海天精工产品均价较进口均价有一定差距。德玛吉森精机、山崎马扎克等德日品牌，凭借技术、质量、品牌以及先发优势占据我国高端卧式、龙门加工中心市场主要份额，我国卧式、龙门加工中心存在大贸易逆差，且进口均价远高于出口均价。在国家政策扶持下，近年来我国民营企业高速崛起，海天精工、纽威数控、国盛智科等民营企业均已量产卧式、龙门加工中心。

　　立式加工中心竞争激烈，毛利率一般不超过20%。立式加工中心相较于卧式加工中心和龙门加工中心而言，制造难度较小且应用场景更加丰富。从产品均价来看，2021年我国进口立式加工中心均价为62万元，远低于卧式加工中心240万元和龙门加工中心256万元；而海天精工立式加工中心产品均价26万元，也远低于其卧式加工中心155万元和龙门加工中心149万元。根据MIR数据，2021年国内立式加工中心销量为52795台，远高于卧式加工中心15973台。立式加工中心竞争相对激烈，海天精工作为国内一线年其立式加工中心毛利率仅12.25%，较卧式、龙门加工中心有较大差距。

　　金属切削机床市场竞争格局“分层”的特点在立式加工中心体现的最为明显。以最常见的三轴850立式加工中心为例，其售价横跨18-150万，参考“UG编程实战学习”的文章《数控机床七大梯队，你用的处于哪个梯队？》，将立加分为7个梯队：

　　1)第一梯队：第一梯队为最高端品牌，以瑞士、德国公司为主，如瑞士米克朗、瑞士宝美、德国巨浪等，上述公司产品售价在150万以上，加工精度极高但产量极低；

　　2)第二梯队：世界机床前十强企业多数处于该梯队，包括德国德玛吉森精机、日本山崎马扎克、日本牧野及美国MAG，产品售价为80-150万，特点为质量领先、市场占有率高；

　　3)第三梯队：台湾地区、韩国等公司多位于该梯队，典型公司有韩国斗山、台湾东台、台湾永进等，产品售价为45-80万，国内一线制造业企业批量购买的最佳选择，可靠稳定；

　　4)第四梯队：国内知名企业和台企多数位于此梯队，典型企业有海天精工、台湾大立、友佳等，价格为32-45万，虽然精度略逊一筹，但是性价比高，同样成为了高水平机械加工企业中的主力机型，具有较多的市场保有量。

　　5)第五梯队：国内市场销量最大的梯队，包括创世纪、国盛智科、青海一机、宝鸡，售价25-32万，该价位机型虽然销量大，但是品牌数目众多，产品同质化严重，竞争白热化；

　　6)第六梯队：该梯队企业规模较小，包括鼎泰、海滕、大森等，该梯队产品是预算紧张的中小企业的选择，但是产品精度低、稳定性差，售价多在18-25万；

　　7)第七梯队：该梯队的加工中心为用户自行购买部件由代装游击队组装，产品质量参差类似于开盲盒，取决于代装技师水平，价格可低于18万。

　　我国大量中小机床企业有能力生产普通机床，且因为缺乏核心竞争力导致通过薄利多销的方式竞争。截至2020年12月，我国机床工具行业年营业收入2000万元以上的企业共5720家，其中金属切削机床企业数为833家，占比14.6%。由于中高端机床具有一定的产业壁垒，多数中小企业缺少核心竞争力，被迫通过薄利多销战略在低端市场厮杀，毛利率很低，竞争格局差。

　　国内有多个机床产业集群，分别为浙江玉环、浙江温岭、山东滕州、江苏泰州、安徽博望。从2020年我国金属切削机床各地区产量分布可知，浙江、广东、江苏、山东肩负了绝大多数金属切削机床的生产工作，其产量分别为11.04万台、5.48万台、5.37万台、4.93台，可以看到除广东外，其他三省皆为产业集群所在省，机床产量较大且各有特色。

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