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昌平工业之母机床 的“牙齿”,迈向高端制造的重要环节

2023-07-08 14:17:52 8939

机床作为“工业之母”,所担负的加工工作量占机器总制造工作量的 40%-60%,其发展水平对于一国的制造业整体水平的提升具备极强的战略意义。


目前我国机床在数控系统、伺服器、减速器、电主轴、丝杠、刀具等核心系统及部件仍较为依赖进口,国产化进程任重道远。


具制造水平的发展对机床产业发展意义重大。


切削加工约占整个机械加工工作量的 90%,是机械制造行业中的最基础的环节。刀具作为工业母机的牙齿,是各类机床最重要的核心零部件之一。虽然刀具成本仅占单个零件生产成本的 1%~5%,但刀具性能的好坏将直接制约机床向高速、高精密和高效方向的发展。作为新 材料产业的下游和新装备产业的上游,刀具制造业也是国家实施制造强国战略的重点布局领域,以高精度、高可靠性、高效率为特点的现代切削刀具在现代制造体系中越发起着不可替代的关键作用。

刀具生产普遍采用通用生产线,生产工序从前到后依次为配料——压制成型——烧结成型——深加工——涂层——包装等环节,国际一线厂商还会参与废旧刀片回收环节,在控制原材料市场价格的同时实现与客户的深度绑定,其中山特维克在过去十年间回收的硬质合金刀片数量已经占到销售量的 40%。





切削性能和刀具寿命为刀具用户主要考量因素。


根据《金属加工》的第四届切削刀具用户调查分析报告中的数据显示,下游用户关注因素排名前两位的分别是切削性能和刀具寿命。即使在考虑使用成本时,用户更多考量的是由切削性能和刀具寿命所带来的综合使用成本,而直接采购价格相对次之。



刀具制造重点在于四大核心技术。


根据华锐精密招股说明书披露,刀具制造具有较高的技术壁垒,壁垒集中在设计和工艺环节,主要包括四大核心技术:基体材料、槽型结构、精密成型和涂层工艺。在制造环节中, 生产设备中的非标定制化设备均采用国产设备,而所采用的进口设备均为标准化设备,国产设备可以替代,不存在进口依赖问题。


国外大型刀具企业重点从结构设计、基体材料和涂层技术等方面进行刀具性能技术攻关。


从伊斯卡公司硬质合金切削技术功效图来看,各技术领域对于提高切削性能和刀具寿命的贡献不尽相同。伊斯卡公司主要通过优化结构设计改进刀具性能;此外通过改善材料对于提高强度、抗震性、定位精度、加工效率及精度,降低噪音也很重要;涂层技术是近年伊斯卡公司较为重视的技术手段,可用于实现提高定位精度、加工效率和延长刀具寿命,将来有望大幅增长。


产业链结构清晰,中游国内刀具企业向上突围


刀具行业产业链主要可以分为上游基础材料生产,中游刀具制造和下游终端应用,其中中游是核心环节。


上游基础材料主要有工具钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料(包括人造金刚石 PCD 和立方氮化硼 CBN),中游刀具制造主要分为国际厂商和国内厂商,下游终端应用分布广泛,各制造业细分领域均有所涉及。


1、上游原材料:硬质合金是主流材料,未来占比将进一步提升


刀具的性能与刀具材料密切相关。目前用于刀具制造的材料主要有高速工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料(立方氮化硼 CBN 和人造金刚石 PCD),其中硬质合金材料全球占比超过 60%,国内占比超过 50%。


超细晶粒硬质合金、先进涂层技术、超硬材料普及将成刀具材料发展大趋势。


随着制造业高端转型,加工材料日趋复杂以及高速切削、硬切削和干切削快速发展,多功能复合刀具、高速高效刀具成为当前刀具发展的主流趋势。


趋势呈现出:


(1)硬质合金材料朝着超细及纳米晶粒硬质合金材料方向发展,并通过开发和使用加压烧结等新工艺提高硬质合金内在质量;


(2)涂层应用增多——纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层将大幅提高刀具性能,化学涂层(CVD)应用占比持续提高,物理涂层(PVD)取得重大进展,涂层技术成为改善刀具性能的主要途径;


(3)陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCD 和 CBN 等刀具材料硬度高、耐磨性和耐热性好,应用场合日趋增多。


未来硬质合金材料将凭借其高硬度、高耐磨性和低成本的高性价比特点在刀具上获得更多应用。


经过多年发展,我国硬质合金行业发展水平与国外差距持续缩小。


我国的硬质合金工业起步较欧美发达国家晚约 20 年。


经过 70 余年的发展,硬质合金工业大致经历了五个阶段:雏形期、发展壮大期、技改期、繁荣期、战略重组与国际化竞争期。


通过技术引进后的长期消化吸收,我国硬质合金行业发展水平与国外差距持续缩小,为硬质合金刀具迈向中高端垫定了基础。


2、中游刀具厂商:中高端长期被国外垄断,国内企业快速追赶


国内中游刀具行业格局相对分散,但从发达国家刀具行业发展路径来看,由于刀具行业壁垒较高,最终将形成高行业集中度的格局。


目前刀具市场第一梯队有山特维克、伊斯卡和肯纳金属,第二梯队有三菱综合材料、京瓷等、第三梯队有株洲钻石、厦门金鹭、欧科亿、华锐精密等国产品牌,这是受制于我国机床生产主要还停留在中低端的技术水平。


在自主可控和产业升级的大背景下,刀具行业整体逐渐迈向高端化与集中化:


一方面,技术方面追赶较快,尤其在中端产品上,部分产品性价比已超越原有主导的日韩企业,国产替代进程加速;另一方面,高端化发展也带来行业壁垒的进一步提升,后续刀具行业也会越来越集中,出现少数业内龙头。


(1)第一梯队:山特维克、肯纳金属、伊斯卡等欧美刀具企业,创立时间久且拥有庞大经营规模、完善的人才培养机制、多年技术积淀、优异的质量管理体系、多元化产品矩阵和丰富客户资源,以提供完整综合解决方案为主,在高端定制化领域持续保持领先地位。


(2)第二梯队:三菱、京瓷、住友、特固克、特洛伊、泰珂洛等日韩企业,主打刀具通用性、稳定性和性价比,在中端市场占有一席之地,目前在我国进口刀具消费中占有很高比重。


(3)第三梯队:株洲钻石、厦门金鹭、欧科亿、华锐精密、恒锋工具、鲍斯股份、沃尔德、邦普刀具等国内众多中小企业,规模小、以生产传统刀具为主,通过差异化策略和价格优势抢占了国内低端市场,并逐渐向中端市场渗透。


部分国产刀具材料性能可与日韩相当紧追欧美。


根据欧科亿和华锐精密上市问询函回复公告披露,部分涂层 刀片在基体硬度和韧度、涂层硬度和膜基结合力等方面的综合性能已经达到欧美日韩等国际头部刀具企业的 产品水平。


切削性能方面虽与欧美仍有差距,但可与日韩并驾齐驱。


根据欧科亿和华锐精密上市问询函回复公告披露,切削性能可以从切削力、切削效果、磨损性能和工件表面质量四个维度进行衡量,根据测试实验对比,部分国产刀具性能可与日韩企业持平,紧追欧美龙头企业。


在同等条件下,国产刀具性能不输进口日韩刀具,且价格优势明显,因此下游客户有采用国产刀具替代进口日韩的刀具的需求,中端刀具市场国产品牌渗透率有望进一步提高。


3、下游终端应用广泛,市场规模稳步增长


刀具作为工业母机的核心部件,在汽车、通用机械、模具、工程机械、航空航天等诸多领域均有所应用。


全球切削刀具市场稳步增长,国内市场相对表现更佳。


根据华锐精密招股说明书披露,全球刀具消费市场主要集中在中、美、德、韩、日等国家。2010 年以来,以中国为代表的亚洲刀具市场增长率位居全球刀具规模增长首位,是全球增长率的 2.5 倍。


2016-2020 年,全球切削刀具市场规模从 331 亿美元增长至 370 亿美元,CAGR 为 2.82%;同期中国切削刀具市场规模从 321.5 亿元增长至 446 亿元,CAGR 为 8.53%,增速中枢为 7.8%,远远优于全球市场表现。


我国机床消费总量稳居全球第一,对标海外刀具消费占比仍有很大提升空间。


根据欧科亿招股说明书披露,我国机床消费量已多年连续位居全球第一,截止 2019 年我国刀具消费额 393 亿元占机床消费比重为 25%,相较发达国家每年 50%左右的比例,我国的刀具消费比例还有很大的提升空间。


近年来,我国出台了一系列产业发展政策,明确鼓励和支持机床专用刀具材料、高精密高性能切削刀具等产业的高质量发展。


高端刀具进口依赖性强,国产刀具开始抢占进口份额。


根据中国机床工具工业协会统计数据显示,我国现代制造业所急需的高端刀具依然对进口产品有很强的依赖性,近年来进口刀具市场占有率常年维持在 30%以上,具体消费额也常年维持在 110 亿元以上。


不过从数据上可以看出,2015-2019 年进口刀具市占率从 37.18% 的高点已经降至 34.61%,一定程度上也反映出国产刀具正在逐步抢占进口刀具市场。



在技术瓶颈逐步突破的背景下,借力疫情的订单验证机会,受益于制造业复苏与升级,预计国产数控刀具将迎来黄金发展的五年,对应需求规模CAGR为20.2%。


在不远的将来,数控刀具或许就能实现国产替代。



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