中国机床,能否涅槃重生?

来源: 孔令鑫、郭威秀
中国工业母机千亿元市场,数控机床领域民营企业崛起,但中高档产品核心部件依旧缺乏本土产业链支撑,产业链一体化是制胜法宝。

机床被誉为“工业母机,国之重器”,2H20以来,中国机床行业领跑全球,率先复苏,一度出现订单爆满、“一机难求”的盛况。但反观中国机床行业,仍然存在数控化率低、高端产品进口依存度高等关键问题;站在当前时点,我国工业机床能否涅槃重生?本文将从国情现状、强国经验、未来展望三个维度,系统梳理机床行业的发展规律,并总结中国机床行业潜在的发展方向。

摘要

工业母机千亿元市场,行业现状大而不强。机床在汽车、电子、航空航天等诸多制造业下游运用广泛,其中数控机床具备高精密、高速度、智能化等多重优势,承担着工业现代化的重要使命。根据国家统计局规模以上口径,我们测算2019年我国机床销售额223亿美元(约合1,539亿人民币),其中数控机床销售额697亿元,数控化率45%。而德国、日本已分别达到81%、90%,中国数控机床行业仍待提升。

数控系统为核心,技术研发铸优势。全球机床行业历史约250年,发轫于第一次工业革命;1952年在美国军方需求下,全球首台数控机床诞生;1970年代伴随微机技术成熟,机床从数控(NC)发展到计算机数控(CNC),行业飞速发展。往前看,全球数控机床发展趋势可归纳为“四化”:1)高端化:高可靠性、高精度、在线检测与智能装配等。2)集成化:从单机到柔性成套系统(FMS),厂商提供“交钥匙”工程。3)服务化:机床厂商向价值微笑曲线两侧延伸,从制造向服务转变。4)自主化:核心零部件自主化生产能力不断提升。

强国发展经验表明,产业链一体化是制胜法宝。数控机床属于投资见效慢,长久沉淀的产业。尽管美国最早诞生了数控机床,但却疏于产业的民用化引导,20世纪80年代后美国龙头地位被德国及日本取代。德国:全球最大的机床出口国。2019年德国数控机床产值103亿欧元,企业专业化分工,高度重视理论研究。日本:数控系统集大成者。2019年日本数控机床产值74亿欧元,产值数控化率全球第一,其中车床/磨床/齿轮加工/特种加工数控化率高达89%/77%/82%/70%。德国、日本从后发到引领,与有效的产业政策引导、核心系统自主化紧密相关。

我国机床行业的启示:核心器件尤为重要。回首我国70余年机床发展历史,从建国时蹒跚起步攻坚克难,数控时代核心技术落后缺失,2000年后十年一梦、粗放发展,到2012年后的存量调整,我国机床行业是融汇了经验与教训的大国制造业追赶历程的缩影。当前我国数控机床领域民营企业崛起,但中高档产品核心部件依旧缺乏本土产业链支撑。从产业政策制定上,我们认为需:1)对基础学科高度重视,加强基础材料(如特钢)的自给能力;2)大力扶持数控系统、丝杠导轨等核心零部件厂商;3)打造具有国际竞争力的产业集群。从投资上,我们建议关注中国具备全产业链配套能力的自动化设备(机器人、激光设备)的核心器件供应商。

风险

市场竞争加剧风险、核心部件对外依赖风险、需求波动、原材料涨价风险等。

正文

国民经济础石,智能制造之基

  • 工业母机,国之重器

机床:工业母机,国之重器。机床是用于成形或加工金属或其他刚性材料的机器。按照材料成形方式分类,机床有金属切削、金属成形及其他(铸造机械、木工机械等)。行业及本文中所指“机床”,主要为金属加工机床。

►金属切削:通过切割或磨削等处理金属及其他刚性材料。子分类有加工车床、铣床、磨床及数控加工中心等类别。

► 金属成形:利用压力使金属板(体)成形、分割、 剪切、折弯。子分类有机械压力机、液体压力机等。

按照移动控制方法分类,机床又可分为数控精密机床和传统机床。

►数控精密机床(CNC):搭配控制系统的自动化机床,按程序自动加工,精度由软件自动校准补偿。子类别有精密加工中心、精密磨床、精密刀塔车床、精密自动车床。

►传统机床:以非自动化方式加工,子类别有传统车床、磨床、铣床等。

图表: 我国机床分类

资料来源:Frost & Sullivan,中国机床工具工业协会,中金公司研究部

  • 下游应用广泛,赋能工业生产

下游分布广泛,汽车及零部件需求占比40%。根据前瞻产业研究院统计,我国数控机床最大下游是汽车行业,需求占比40%。汽车零部件需要大量机床加工,国内企业以海天精工、国盛智科、浙海德曼为代表;在航空航天等特殊工业领域,五轴联动等高端数控机床应用广,国内企业以日发精机、科德数控为代表。其余行业包括磨具加工、工程机械、3C(北京精雕、创世纪为代表)等领域。

图表:数控机床下游应用

资料来源:海天精工招股书,中金公司研究部

  • 工业现代化发展,数控机床奠基

数控机床相比传统机床的优势

数控机床相比传统机床,具备高精密、高速度、复合化、智能化、环保化的多重优势,承载着工业现代化的特殊使命。

数控机床产业链

数控机床上游包括数控系统、驱动系统、传动系统、功能部件及结构件。

图表:2020年我国数控机床产业链结构图

资料来源:国盛智科招股书,前瞻产业研究院,中金公司研究部

►数控系统: 即CNC系统,通过编程实现金属切削的命令产生和传达,成本占比25~30%。我国高档数控系统长期被发那科、三菱、西门子、海德汉等外资企业所垄断。

►结构件:铸铁、铸钢件通过精加工形成机身、支柱等,成本占比25%左右。

►驱动系统:将数控系统的控制信号转化为相应的机械位移,分为液压驱动(液压泵阀、油缸)和电驱动(例如伺服驱动器和步进电机)两类,成本占比约15%左右。

►传动系统:是机床部件运动的载体,直接影响加工精度,我国机床企业主轴、丝杠等依赖外采,成本占比约为15%~20%。

►其他:刀库(成本占比5%)、光栅尺(成本占比2%)等。

我国数控机床:需求千亿元,大而不强

  • 我国数控机床市场需求千亿元,但产值数控化率不足50%

按产量口径,2019年我国机床数控化率26.8%。国家统计局月度公布数控金属切削及数控锻压机床产量,以二者合并口径计算,2001-2019年我国数控机床产量CAGR为14%。截至2019年,我国金属切削机床产量数控化率为38%(数控金属切削机床15.6万台,金属切削机床41.6万台)。而金属成形机床产量数控化率约为8%。2020年我国金属加工机床综合产量数控化率为26.8%。

图表: 2001-2019年我国金属数控机床产量为CAGR 14%

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

图表: 2001-2019年我国金属加工机床数控化比率

资料来源:国家统计局,中金公司研究部测算

按金额口径,2019年我国机床数控化率不足50%。根据Frost & Sullivan,2016-2019年我国数控机床产值占比从42%提升至49%(中金公司测算2019年我国机床数控化率45%,按金额)。与日本、德国、美国等发达国家相比,我国机床结构存在较大优化空间,数控化率提升是行业大趋势。

图表: 2019年全球主要国家机床数控化率(按金额)

资料来源:Frost &   Sullivan,中金公司研究部

图表: 2011-2019年我国数控机床产值规模及增速

资料来源:Gardner Publications,   Inc,中金公司研究部;注:2018年数据万得资讯缺失, Gardner根据其阶梯汇率变化统计模型计算市场

考虑到长尾市场,我国数控机床市场千亿级。基于国家统计局规模以上企业数据,我们测算2019年我国数控机床消费量101亿美元,折合人民币697亿人民币。根据我们产业链调研,机床市场高度分散,年收入2,000万以下数控机床厂众多,考虑到长尾市场,我们认为我国真实数控机床年均需求在1,000亿元以上。

图表: 2011-2019年我国数控机床市场测算

资料来源:Frost &   Sullivan,国家统计局,中金公司研究部

加工中心与车床是主要两大门类。我们根据《中国机床工具工业年鉴2019》所列名录,系统梳理了纳入国统局统计范畴的各类数控机床产值情况。

我们预计2019年数控加工中心产值370亿元(占比37%)、数控车床产值220亿元(占比约22%)、数控成形机床产值180亿元(占比约18%),其余磨床、镗床、铣床等市场均为几十亿元空间,较为分散。

图表: 2019年我国数控机床产值分布

资料来源:中金公司研究部测算

  • 贸易逆差收窄,但进口依存度仍高

2019年我国机床产值194亿美元,同比下滑23%。2019年我国制造业固定资产投资累计额同比增长3.1%,较2018年环比回落6.4ppt,其中汽车固定资产投资增速-1.8%。根据Gardner,2019年中国机床行业产值同比下滑23%至194亿美元,全球份额首次掉落至23.1%。

图表: 2019年我国汽车行业固定资产投资累计增速-1.8%

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

图表: 2000-2019年我国机床产值及全球占比

资料来源:Gardner   Publications, Inc,中金公司研究部

2019年我国机床贸易逆差收窄,但仍有30%以上依赖进口。2019年我国机床进口金额同比下降25%至72.9亿美元,出口金额同比增长10%至44亿美元,进口依存度约32.6%。前五大机床进口来源地区均出现明显下滑:日本(21.5亿美元,同比下降34%)、德国(21.3亿美元、同比下降13%)、中国台湾(7.8亿美元,同比下降31%)、韩国(4.4亿美元,同比下降21%)、瑞士(4.3亿美元,同比下降18%)。出口方面,东南亚市场有力支撑了海外需求。2019年出口越南机床金额同比高增长54%至4.7亿美元,出口印度机床金额同比增长15%至3.9亿美元。

以产值+进口-出口衡量表观消费量,2019年我国机床消费额223亿美元,同比下滑24%。

图表: 2000-2019年我国机床贸易逆差逐步收窄

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

图表: 2000-2019年我国机床消费额及全球占比

资料来源:Gardner   Publications, Inc,中金公司研究部

2020年海外需求受冲击,期待2021年回暖。根据国统局规模以上数据,2020年我国金属切削出口交货值累计下滑17.8%,金属成形机床出口交货值累计下滑10.5%。因此,2020年我国机床行业核心为内需拉动,2021年海外市场的恢复前景值得关注。

  • 疫情之下,中国机床行业跑赢全球

从增速上看,近十年全球机床行业增速降挡。2000-2011年全球制造业繁荣下,机床行业经历了黄金十年,产值CAGR为9%。2011年后,全球机床整体步入存量调整通道。根据Gardner统计,2019年全球机床产值842亿美元,同比下滑13%。消费值821亿美元,下滑14%。

图表: 2000-2020年全球机床产值及增速

资料来源:Gardner Publications, Inc,中金公司研究部

从结构看,过去十年中国机床全球份额整体下降。我们按照各地区机床产值及近十年(2010-2019年)复合增速进行双维划分,可以发现近20年里,中国、德国、日本、意大利、美国始终贡献产值70%。近十年中国机床行业整体处于调整阶段,欧美等发达国家凭借“再工业化”举措仍取得正向增长。

图表: 2019年中国贡献全球机床产值23.1%

资料来源:Gardner   Publications, Inc,中金公司研究部

图表: 全球前十大机床产值国家及地区近十年增速

资料来源:日本内阁府,中金公司研究部;注:产值采用2019年数据,增速选择2010-2019近十年复合增速

2020年全球受疫情拖累,中国增长领先全球。2020年新冠疫情影响下,Gardner预测全球机床消费额或下滑15%,假设产值同样下滑15%,则2020年约为716亿美元,创近十年新低。

中国凭借良好的疫情管控和逆周期政策,经济率先走向复苏。根据国统局规模以上数据(主营收入2000万元规模以上企业),2020年1-12月我国金属切削机床行业营业收入1,086亿元,同比增长2.3%,增速转正;金属成形机床行业营业收入631亿元,降幅同比2019年收窄7.3ppt。

图表: 2020年我国金属切削机床行业触底回暖

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

图表: 2020年我国金属成形机床行业营收降幅收窄

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

全球机床发展:兴于数控时代,重在技术研发

  • 全球机床行业历史悠久,数控技术推动行业革新

放眼全球,现代意义的机床制造业已有约250年历史。二战以后,美国军用需求催生机床的数控时代。1948年美国空军提出直升机旋翼桨叶加工需求,精密度和复杂度高。在美国军方研发经费支持下,G&L公司与麻省理工合作四年,于1952年试制成功全球首台数控机床,并于1958年下线全球首台数控加工中心。德国和日本紧随美国,青出于蓝而胜于蓝。

图表: 全球机床发展历史

资料来源:中国知网,中金公司研究部

数控系统推动机床行业的质变

计算机技术演化下,全球数控系统经历了数控(NC)和计算机数控(CNC)时代。目前行业所指的“数控”均为计算机数控。

图表:计算机和控制技术推动数控机床质变

资料来源:中国知网,中金公司研究部

全球数控机床新技术、新业态涌现

图表:近年来全球数控机床发展特点

资料来源:浙海德曼招股说明书,中金公司研究部

我们把全球数控机床发展趋势归纳为“四化”:

►高端化:1)高精度高速度,以五轴立式加工机床为例,德玛吉DMU85系列可达到主轴转速15000rpm,XYZ定位精度/重复定位精度8/5微米,AC定位精度/重复定位精度8″/5″。2)精密机床可靠性及精度保持技术,这也是中国与其他国家机床产品的核心差距所在;3)复杂型面加工成形技术,需要用到超高速切削方式,电主轴、刀具、电机、数控系统均为核心部件。4)轻量化材料技术,过往机床采用实心铸铁,增材制造、先进复合技术可从设计端减少成本。5)在线精密检测与智能装配,对精密复杂零件 “加工-检测-补偿加工”一体化制造具有重要意义。如日本山崎马扎克(MAZAK)自主研发的监控软件Smooth Monitor X,全界面触屏操作,配备5轴联动CNC装置,生产过程可视化、可感知;

►集成化:从单机到柔性成套系统(FMS),提供机床制造全覆盖服务。全球典型代表如德国(格劳博Grob),在标准机床至装配单元再到全自动加工线种类齐全,尤其擅长汽车发动机零部件整线“交钥匙”工程。国内如国盛智科、浙海德曼也参与机床整线自动化集成业务。

►服务化:机床厂商从标准化设备提供者向服务型转变,在机床工艺设计、先进装备、技术服务等多维度参与其中。德国埃玛克(Emag)尤为擅长开发目标用户机型,1992年在世界首推倒置式数控车床,创造型提升加工平稳度。在售前服务方面,哈默、德马吉、GF(Georg Fischer,乔治费歇尔)、米克朗等国外机床厂商尤其重视,国内科德数控为用户提供定制化售前咨询,2019年基于售前合作的营业收入占比接近90%。

►自主化:全球数控机床对上游提出更精准的需求,核心零部件(如数控系统、传动系统等)自主化生产和定制能力不断提升。日本大隈(Okuma)早在六十年代开始研制OSP数控装置,自主开发主轴和伺服电机,年产数控装置7,000余台,主轴和伺服电机约3万台,大隈2019年全球数控机床排名第六位。

  • 德日经验表明,产业链一体化尤为重要

德国—理论研究典范,产业链实力雄厚

德国机床制造商协会(VDM)统计,2019年德国机床行业产值170.4亿欧元,其中切削机床/成形机床/零配件/安装、维修包养各为96.0/30.4/28.8/15.2亿欧元。按产值测算,2019年德国数控机床产值103亿欧元,产值数控化率81.3%,分类来看,切削机床数控化率91%,成形机床52%,遥遥领先于中国。

图表: 2019年德国机床产值170.4亿欧元

资料来源:VDW, VDMA,   German Statistical Office, 中金公司研究部

图表: 2019年德国各类型机床数控化率(按产值)

资料来源:公司官网,中金公司研究部

全球第一机床出口大国,67%订单来自海外。2019年德国机床新签订单137亿欧元,92.3亿欧元来自海外。德国出口市场中,中国(19亿欧元)、美国(11亿欧元)、意大利(5亿欧元)需求居于前列。德国机床制造商协会高度重视中国市场,认为伴随中国经济高质量发展过程,德国机床厂商及高附加值产品潜力无限。

高度专业化分工,机床企业小而美。在德国,数控机床行业具备高度专业化的特点。2019年大型(雇员>1,000人)企业数量仅占比11%,产值占比45%,雇员低于250人的中小企业占据半壁江山。同其他制造业一样,德国数控机床企业偏向家族式管理,不喜上市,长期专注机床行业,技术得到保护和传承。

图表: 德国机床行业中小企业为主,呈现高度专业化特点 

资料来源:VDW, VDMA, German   Statistical Office, 中金公司研究部

德国作为全球第一机床出口国,国际竞争力突出,我们认为成功经验可归结为三点:

高度重视理论研究,技术基础最为扎实。机床行业被列为德国工业5大分支之一,尽管数控技术发展晚于美国(1956年研制第一台数控机床,美国是1952年),但非常注重先进工艺基础研究,实现赶超。德国政府坚持自主化道路,支持建设了全球第一个机床实验室,数控机床发展四大关键在于加工工艺、机床设计、数控系统、先进刀具,德国均具备重大学术创新。基础科研与应用技术科研并重下,德国把传统制造优势与电子技术融合,发展各类数控机床,抢夺世界市场。

先进工艺积累下,德国诞生了亚琛工业大学机床研究所 ( 全球数控机床研发实力最强单位之一),德玛吉(全球精密机床领军企业)、通快(全球激光加工第一)、舒勒Schuler(全球金属成形机床领导者)、埃马格Emag(全球倒立式车床龙头)等著名企业。

以人为本,产学研紧密结合。根据产业链调研,尽管机床生产环节可实现自动化,但打磨、板焊、喷涂环节依赖经验丰富的专业人才。德国在综合型大学设立机床研究方向,应用技术型大学也有机床专业,高校及校外研究机构为机床行业输入大量优质人才。卡尔斯鲁厄大学机床研究所对企业提供精度优化及丝杆检测技术支持,创造了可观利润。整体上德国把技术工人当作宝贵财富,而非廉价劳动力,在社会充分受到尊重。

产业链综合实力雄厚,上游部件及下游产业链相辅相成。在数控系统方面,德国有西门子、海德汉等专业化厂商提供,零部件有博世力士乐,主轴、两轴摆头有Kessler。在下游应用方面,汽车作为机床最大的下游,德国品牌议价能力在全球执牛耳,机床与汽车行业相辅相成。在汽车领域,机械加工零部件对批量生产、快节奏交付、产品稳定性有较高要求,进入门槛高。德玛吉与宝马等企业开展定制化合作研发,基于用户工艺需求量身定做机床,一旦得到较好反馈逐步推向市场。MAG重视交钥匙工程,为汽车终端用户提供零部件加工整体解决方案。

图表: 2019年德国主要机床出口目标国家

资料来源:VDW, VDMA, German Statistical Office, 中金公司研究部

日本—政策引领有效,重视数控系统开发

早在20世纪50年代美国数控机床萌芽阶段,日本机床厂商就产生了浓厚兴趣。从技术引进到自主提升,20世纪70年代日本数控机床已经在全球崭露头角,1982年日本取代美国,夺取了全球数控机床冠军的位置。

根据日本机床制造商协会统计,2019年日本机床产值1.07万亿日元,数控机床产值0.96万亿日元,数控化率接近90%,高于德国。按产值测算,2019年日本车床/磨床/齿轮加工/特种加工数控化率分别为89%/77%/82%/70%。

图表: 2019年日本机床产值1.07万亿日元

资料来源:METI, 中金公司研究部

图表: 2019年日本各类型机床数控化率(按金额)

资料来源:METI, 中金公司研究部

海外订单占比60%,亚洲和欧洲需求为主。在数控机床领域,日本与德国始终独占鳌头。2019年日本机床订单60%来自海外,产品分布全球。日本已诞生出马扎克、天田、大隈、森精机(后与德玛吉合并为德玛吉森精机)、牧野、小松、三菱重工等等世界机床翘楚。

图表: 2019年日本机床订单60%来自海外

资料来源:METI, 中金公司研究部

图表:2019年日本机床出口区域分布

资料来源:METI, 中金公司研究部

日本是全球机床数控化率最高的国家,从后发到引领,与以下因素紧密相关:

政策引领高瞻远瞩,竞争力提升持之以恒。继美国、德国后,日本是全球第三个建立机床工业的国家。日本传统机床需求爆发于二次世界大战,在20世纪80年代数控浪潮铺开后,日本开始全面更新产品线,及时调整生产方向。为加强领导,日本政府在充分探讨验证后,有序制定 “机振法”、“机电法”、“机信法”三大法令,对提高技术水平起到了关键决定性作用。

得数控者得天下。早在1956年,日本技术专家预见到机电时代到来,富士通挑选稻叶先生对数控技术开启研发,1958年产品首次应用在牧野精机机床,奠定了日本数控机床的先河。发那科设立基础技术研究所,针对未来5-10年技术储备,以“技术可靠性、成本降低”作为新产品研发目标。在日本数控机床行业发展过程中,政府重点扶持了发那科数控系统,以及THK等其他厂商从事专业化配套零部件。政策环境有力促进了发那科规模优势的形成,也避免了多家数控机床厂商因抢夺行业标准权导致的规模不经济问题,目前发那科在全球机床数控系统的市占率达到50%以上。

中国机床发展:经验教训交织,大国制造缩影

“十八罗汉”今安在,民营企业谱新篇。1950年周恩来访问苏联时指示,把国内进口机床首先用于机床建设上,1952年中国第二机器工业管理局成立,“十八罗汉,四大金刚”在计划经济体制下出现在历史舞台。岁月匆匆70载,时至今日,十八罗汉已淡出历史舞台,当前民营新势力点燃行业新动能。中国机床发展史,是中国制造追赶发达国家的缩影,也是融汇经验与教训的厚重历史。

图表: 我国机床发展历史

资料来源:中国知网,中金公司研究部

  • 建国初期:计划经济体制下,高精密国产化战役告捷

建国初期工业基础薄弱,在前苏联援助下,一机部二局(我国第二机器工业管理局)构建扶持“十八罗汉”。齐齐哈尔机床、沈阳机床、大连机床等18家分布全国的重点国企,4个工具厂构建最初的机床工业体系。

1960年国防诞生高精密机床需求,国产化战役首战告捷。面临欧美技术封锁&前苏联关系紧张,1960年国务院牵头成立“高精密机床领导规划小组”,在一机部二局设立战役办公室。经一机部批准,北京机床研究所内组建北京精密零件厂,成立精密工艺试验室。在全国协同艰苦攻关下,“高精度基准纹尺”、“车削、磨削精密丝杠副”、“精密主轴套筒部件”、“光学读数头”等核心技术攻克,上海机床厂(高精度外圆磨床,圆度精度0.5μ)和昆明机床厂(高精度坐标镗床)贡献突出,被评为功勋厂。

  • 1970-2000年:数控时代,差距正式拉开

成也萧何,败也萧何,差距从数控技术正式拉开

在全球数控技术绝对封锁下,1968年我国第一台数控机床X53K1由北京第一机床和清华大学合作研发成功,数控装置备采用直线插补电子管系统(第一代数控技术)。

►“六五、七五”—三段式发展,依赖国外技术

改革开放后,在机床行业,我国选择了“引进国外先进技术、实现国产化、达到自主开发”的“三段式”发展方式。彼时机床公司有两种技术引进方式2:1)许可证生产,直接从外资采购数控系统,中方沦为机床组装厂。2)技术转让:拿到外资数控芯片后反向开发,但由于存在大量编程缄默知识,反汇编后数控语言难以运用到实际生产中。

图表: 1985-1989年我国数控机床品类急速扩充

资料来源:中国知网,中金公司研究部

图表: 改革开放后我国选择了引进国外数控系统的道路

资料来源:中国知网,中金公司研究部

1981年,北京机床研究所引进发那科数控系统及配套直流伺服电机,直流主轴电机技术。后来两家成立合资公司,持续推广Fanuc数控系统在国内的使用。外资在中国采取“高附加值产品销售—落后技术转让—办合资厂”的方式,在这个阶段,国产数控系统逐步落后全球,其背后深层原因为过度依赖下逐步丧失的控制权。

“八五”—数控技术国产化攻关,产业化缓慢

“八五”期间,“ 数控技术及装备的开发研究”被列为国家重点科技攻关项目,经费1.5亿元,攻关单位102个,科研人员1500人。耗时5年后,我国第一批基于PC端的自主数控系统诞生,同时又掌握了主轴驱动及交流伺服模拟技术,达到国际90年代的先进水平。但由于存在开放性差、承担单位体制僵硬、缺乏数据共享平台等原因,工程化和产业化进展并不理想。

1997年,我国机械部机械科学研究院系统剖析了日、美、德、中数控机床行业发展代表性指标,1)机床数控化率:日本达到70%,德国接近60%,美国接近40%,中国仅有7%;2)数控机床本土品牌占有率:日本95%左右,美国接近50%,德国53%,中国仅有29%;3)研究与经费发展/销售额:数控机床属于投资周期长,见效慢的行业,1992年日本和德国研发占比营收30%左右。对比中国,研发经费占比营收仅为3%,难以支持长久、有竞争力的发展。

机床市场全面开放,国产机床陷入泥淖

1993年我国机床市场全面开放后,大批进口机床贸易涌入国内市场。外资竞争对手为占领中国市场,开发性价比突出的低档产品,国产机床厂陷入泥淖。1990年国产机床市占率70%,至1993年仅为44%。根据《上海企业》期刊记载,“由于国内市场大半丧失,我国机床工具行业已经自1995年连续五年负增长,连续四年亏损”。据统计,截止到1996年全机床行业亏损6亿元,平均单位亏损250万元以上,产品库存规模5月以上。

国内沈阳机床、昆明机床利润逐年下滑。沈阳机床和昆明机床1994年归母净利润为5,762/3,799万元,到了1999年仅剩至2,337/-4,657万元。1999年昆明机床存货周转天数高达1,968天,折合4.5年,包袱沉重。

图表: 1994-1999年沈阳机床及昆明机床利润连年下滑

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

图表: 1999年昆明机床存货周转周期高达4.5年

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

机械部撤销,国产机床步入调整阵痛期

“九五”时期,我国机床行业巨额亏损,彼时全球“夕阳产业论”甚嚣尘上,高技术IT企业成为追捧。在机床行业生死存亡的关键时点,1997年我国机械部撤销,同时机械部属科研院所全部转制为企业,“十八罗汉”下放至省级政府及市级政府。

  • 2000-2011年:十年一梦,入世红利下粗放发展的狂欢

2001年我国加入WTO,机床迎来黄金十年发展机遇。2000-2011年我国机床总产值从21亿美元提升至283亿美元,暴增13倍以上。“十八罗汉”中沈机、大连机床、济南第二机床厂等走向新一轮发展道路。2012年,美国Gartner公布世界机床行业排行榜,沈阳机床凭借27.83亿美元销售收入,11.5万台机床销量,在全球排名第一。

图表: 2000-2011年沈机、昆机、秦机营收飞速增长

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

以市场换技术失败,后发劣势尽显。国外企业长期技术封锁及压制下,中国企业寻求技术共通的路径均以失败告终。自主能力缺失反映在企业增收不增利,2000-2011年沈阳机床盈利能力逐步下滑,至2011年毛利率/净利率仅为22%/1%。2007年起沈阳机床 “破产式”自主研发数控系统i5,但由于忽略市场客观规律,大步迈进,最终资金断裂。

图表: 2000-2011年沈阳机床净利率不断下滑

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

图表: 2000-2011年沈阳机床资产负债率不断提升

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

  • 2012年至今:老树新芽,民营企业逐步崛起

2012年后全球经济放缓,我国机床呈现缩量下跌。十年轮回,当市场重回存量调整阶段, 我国机床企业经营结构性问题再次显现。昔日“十八罗汉”命运不一,除济南第二机床未改制、未破产外,多数黯然收场。

图表: 建国机床“十八罗汉”简介及现状

资料来源:万得资讯,中金公司研究部

数控机床领域,民营企业成为主力军。数控机床呈现专业化分工的特点,目前中国已出现包括海天精工、创世纪、国盛智科、科德数控、浙海德曼在内的十余家主机厂上市公司,各家机床厂产品各有侧重,形成高度分散的竞争格局。

图表: 全球主要机床上市公司2019年财务指标对比

资料来源:Capital IQ,万得资讯,公司官网,中金公司研究部    注: 日本天田和大隈采用2020FY财年数据

机床启示录:中国机床能否涅槃重生?

  • 产业配套技术薄弱,高端机依赖外采格局短期难以改变

2018年我国高端数控机床国产化率不到10%。根据中国产业研究院统计,我国低端数控系统及零部件已基本实现国产化,但中高端机床在稳定性、加工效率、寿命仍有差距,国产品牌形象和市场仍待建立。2018年我国高端数控机床国产化率仅为6%,中/低档机床国产化率已达到65%/82%。高端数控机床自主化率低,背后深层原因是产业链综合能力的缺失。

以主营中高档数控机床的国盛智科为例,公司掌握了精密铸件及钣焊件加工工艺,但在数控系统、传动系统、功能部件仍缺乏本土配套。截至招股说明书公布日,数控系统90%由发那科提供,10%为德国西门子、三菱等;主轴80%使用中国台湾日绅;丝杠及线轨80%使用中国台湾银泰;精密轴承80%使用日本NSK;五轴联动机床所使用的两轴摇篮转台、两轴摆头、光栅尺和编码器均在国内无法实现配套。

图表: 2019年代表上市公司核心零部件采购情况

资料来源:国盛智科招股说明书,中金公司研究部

高档数控系统及关键部件技术长期被国外封锁。以五轴联动机床为代表的高端数控机床,集计算机控制、高性能驱动和精密加工技术于一体,是解决航空发动机叶轮、叶盘、叶片、船用螺旋桨等关键工业产品加工的唯一手段。从“巴统清单”到“瓦森纳协定”,发达国家一直把五轴数控系统及五轴联动数控机床作为战略物资实行出口许可证制度,对中国在内的诸多国家实行严格技术封锁。

► 高档数控系统:算法复杂空间建模know-how、优化补偿技术、可靠性、应用延展能力等构成数控系统重要门槛。除此之外,芯片、光纤通讯对系统性能提升也起到关键作用。例如Fanuc、西门子、三菱等均采用专用芯片,有多类型输出信号供不同用户需求之用,既可控制主机,也可控制机器人,及线上各部分物流的动作。

全球数控系统发展,带动新的软件优化技术出现,比如RTCP(Rotational Tool Center Point)直接使用刀尖点坐标编程功能、预读程序功能、热变形及机械误差实时补偿等。科德数控、北京精雕自产五轴联动数控系统配套使用,走在国产前列。华中数控、广州数控等专业生产数控系统,用于机床、机器人等领域。

►关键部件:主轴、丝杠、刀具、直线电机等竞争力缺失更为突出。

1)主轴:机床主轴分为机械主轴和电主轴两类,机械主轴轴承一般需具备P4及以上级超精密度,国内轴承厂加工能力仍有较大差距;电主轴则是跨行业综合技术的结合,包括精密制造技术,轴承技术,电机调速技术,功率40KW以上依赖进口。国内电主轴以洛阳轴承研究所最为著名,民营如昊志机电在3C数控雕铣电主轴取代进口份额。

2)丝杠:数控机床使用的滚珠丝杠,具备高效省能、精密定位、精密导向、对CNC指令反应快速等功能。国内丝杠企业存在产值规模小,运营不规范等特点,缺乏可与NSK、THK、Rexroth等比肩的知名企业。

3)刀具:2019年我国刀具总消费额393亿元,136亿元为进口刀具。我国严重依赖进口的刀具集中在航空航天、军工、汽车发动机等领域,被山特维克、伊斯卡、三菱等企业垄断。高端刀具进入门槛包括基体新材料的研发、涂层技术开发和应用、结构创新设计,国内华锐精密、欧科亿等不断追赶。

4)直线电机:近年来,直线电机逐步取代传统“伺服电机+滚珠丝杠”结构,大隈、DMG 等一直大力推广直线驱动产品,涵盖加工中心、车床、车铣复合。2014-2019年我国直线电机行业增速接近34%,最大下游为数控机床。从竞争格局来看,60%以上份额被国外企业占据。

  • 从顶层设计、微观经营谈经验教训

从建国“一五时期”到现在,我国机床发展起步并不晚,却形成了当前核心零部件薄弱、高端领域失守、国产品牌夹缝生存等曲折艰难的行业局面。背后原因虽然错综复杂,也有时代的无奈,这与顶层政策设计、微观企业经营都息息相关。

顶层政策设计:以市场换技术未能贯彻落实

数控机床关乎国家经济、军事、工业安全。1)战略性:数控机床并非普通工业投资品,高档数控机床及系统,如五轴联动机床,直至现在仍被列在发达国家贸易限制清单,作为战略物资限制。2)基础性:数控机床水平衡量国家整体制造实力,数控机床加工能力越强,生产出的零部件可靠性越高,反哺整体工业制造水平。纵观日本、德国、美国等全球制造业龙头辈出的国家,其数控机床产业给予强劲支撑。因此,在国际政治关系日益复杂的今天,在中国追求制造强国的路上,数控机床产业应当被充分重视,从顶层设计,到地方政策,有效支撑行业优化发展。

从“六五”到“八五”,我国数控机床攻关产业化缓慢,出现“教不明其道,学不得其法”的无奈局面。在肯定彼时一机部、“十八罗汉”等行业先驱艰苦付出的同时,我们认为比较明显的政策引领偏差包括:重主机轻配套、重指标轻市场化应用、 幻想“以市场换技术”但未能有效执行。

重主机轻配套,体现在政策执行中,重心主要放在扶持主机厂做大营收,扩充品类,而忽视了对配套部件的工艺推广、技术支持。尽管04专项发展一批功能部件,但由于已经形成了国外部件配套和售后依赖,同时叠加主机厂缺少对用户的工艺理解,功能部件国产化依旧缓慢。

重指标轻市场化应用,以“八五”国家数控技术攻关项目为典型,轰轰烈烈打造国内第一批基于PC端的自主数控系统,但由于存在开放性差、缺乏数据共享平台等原因,产业化进展并不理想。

幻想以市场换技术但未能有效执行,80年代我国选择引进Fanuc系统,90年代又快速进口大量数控机床及系统,对正在发展中的本土企业造成冲击。事实证明,高端数控机床技术被外资重重限制,办合资厂只是帮助进口品牌打开市场,并不能转化为自主竞争力。从我国引进传统燃油车、数控机床技术的历史来看,“市场换技术”由于各方利益博弈导致并未贯彻落实;而高铁技术的引进吸收,将中国市场整合为一整个谈判筹码,则是较为成功的案例。

整体来看,数控机床发展挑战突出,并非可以一蹴而就的事业,需要抓住核心矛盾,持之以恒的系统长效引领,方能涅槃重生。

微观企业经营:弘扬工匠精神,追求专业细分领域做强

“十八罗汉”陨落,有经营体制的桎梏,也有中国制造业盲目做大、同质化竞争的痼疾。经历过风雨洗礼,现阶段的中国数控机床产业以市场化机制为主要手段。我们认为数控化、高端化大势所趋,微观企业发展模式应当从追求规模向追求经营质量转变,迎合产业结构升级,在专业细分领域做强。

  • 从产业链自主化谈对其他行业的借鉴意义

尽管从数控时代开始,我国机床行业就渐渐被国际发达国家拉开差距;当前环境下,行业的振兴面临诸多难点,也需要更长期的工艺数据积累,但我国机床行业的兴衰为自动化装备的其他行业乃至整体制造业,都提供了前车之鉴。

1)泛自动化装备行业:重视产业链一体化的重要性。我国高档数控机床配套使用的数控系统、主轴、丝杠、刀具、电机等缺乏本土企业支撑,成本居高不下,也限制全行业盈利水平及二次研发投入的可能性。参考发达国家经验,产学研资源导入及专业化分工至关重要,建议从基础材料、基础加工、基础部件入手,鼓励上游企业脚踏实地,稳步做强。目前,我国在机器人行业,是全球继德国、日本之后第三个具备全产业链配套能力的国家;我国在激光设备行业,是全球继俄罗斯、美国之后第三个具备全产业链配套能力的国家;这些泛自动化装备行业的国产化之路会更加平坦,产业内的核心器件类公司也更加值得重视。

2)改变人才培养体系,培育高素质从业人员。目前我国普通高等院校缺乏机床细分专业,大部分在技工学校设立,素质培养薄弱。大部分应届生流失至非制造业行业,导致我国机床行业严重缺乏人才资源,难以支撑产业技术进步。我们建议院校改变人才培养体系,给予基础学科及应用高度重视,同时鼓励领军企业培养人才。

3)打造优秀企业产业链集群,推动市场化发展。机床本质是机电一体化产品,需要机械、材料、电气、软件等多行业发展支持。参考国际先进经验,产业内优秀的上下游企业抱团,打造一体化国际竞争力至关重要(如日本机床数控系统发那科、丝杠导轨THK、整机制造天田/山崎马扎克/大隈/森精机/兄弟、刀具OSG等)。建议从核心原材料、核心软件、核心装备分别入手,培育“小而精”、而非“大而全”的潜力企业,产业链协同发展。

对于企业经营层面,我们提出如下建议:

1)立足自主创新,追求超额利润。从历史数据来看,我国金属加工机床制造长期盈利能力偏薄,行业销售利润率不到8%,如若经历较大周期波动,在市场价格竞争激烈的环境下,企业经营安全垫较弱。因此提升产品附加值,增强盈利能力十分重要。从成本端考虑,主机厂可通过核心部件自制、凭借规模优势扩大采购议价能力、生产智能化自动化水平等举措控本。从终端考虑,企业需提升产品技术附加值,打造差异化优势,树立品牌影响力。

图表: 我国金属切削及金属成形机床行业销售利润率

资料来源:国家统计局,中金公司研究部

2) 强化比较优势,开拓海外业务。近年来我国机床贸易逆差逐步收窄,东南亚等新兴市场需求相对旺盛。建议主机厂结合自身产品优势和需求,加强对海外市场分析定位,打开成长空间。

风险提示

1) 市场竞争加剧风险。中高端数控市场竞争压力主要来自以德国、日本等发达国家以及中国台湾地区先进企业,若公司在激烈的竞争中无法保持自身的竞争优势,市场竞争地位将会受到一定的影响。

2) 部分核心部件依赖外采风险。行业大部分数控机床所需外购的铸件、传动系统部件、数控系统、功能部件存在多个供应商,但少量高档、复杂机型生产所需的数控系统,以及两轴摇篮转台、两轴摆头、光栅尺和编码器等少数功能部件可选择的供应商较少。

3) 核心技术人才流失风险:数控机床是资金、技术密集型行业,如果未来无法继续吸引高素质的技术人才,或者出现核心技术人员流失或技术泄密等重大不利情形,会较大影响公司稳步发展。

4) 原材料涨价风险。近几月大宗产品价格上涨过快,对于机床行业产生成本压力。如若公司不能较好转嫁,会对盈利能力造成不利影响。

本文作者:中金公司孔令鑫、郭威秀,来源:中金点睛,原文标题《中金 | “大国重器”系列:中国机床,能否涅槃重生?》

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2 条评论
Fredzhang
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对类似的东西,国产化不太乐观。能够有突破的点或者希望在于中国投资,由欧美人主导研究,开发的

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xiamenliujunyu661013
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这关系到中国智能化制造的首要核心竞争力,没有核心技术就无法谈未来制造大国,也无法落实工业化4.0。

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