磨床，重要的工業(yè)母機(jī)

       作為一種關(guān)鍵的工業(yè)制造設(shè)備，磨床的設(shè)計(jì)初衷是為了滿足高精度加工和硬質(zhì)材料加工的需求。隨著絲杠、鈦合金和碳化硅等關(guān)鍵領(lǐng)域的市場需求不斷增長，預(yù)計(jì)該設(shè)備將經(jīng)歷顯著的產(chǎn)能擴(kuò)張，并推動(dòng)國內(nèi)生產(chǎn)能力的快速提升。

       磨床是什么？

       數(shù)控磨床，作為關(guān)鍵的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)備，對于磨削多種材料和復(fù)雜幾何形狀的零件至關(guān)重要，其應(yīng)用覆蓋了廣泛的下游行業(yè)。

       磨床，一種以磨料和磨具（如砂輪、砂帶、油石、研磨料）為工具的機(jī)床，因應(yīng)高精度和硬質(zhì)材料加工的需求而發(fā)展。在所有機(jī)床中，磨床的精度要求極高，尤其是超精密磨床，技術(shù)挑戰(zhàn)性最大。

       磨削工藝根據(jù)工件的形狀差異而多樣化，外圓磨、內(nèi)圓磨和平面磨是其中最常見的三種。外圓磨削因其廣泛的應(yīng)用而聞名，適用于加工軸類和套筒類零件的外表面。內(nèi)圓磨削，包括中心和行星式磨削，雖然與外圓磨削有相似的進(jìn)給方式，但其技術(shù)難度更大。平面磨削則專注于工件表面的磨削，采用砂輪平面或周邊磨削技術(shù)。

       磨具，作為磨床加工中不可或缺的消耗品，包括砂輪、磨頭、油石和砂瓦等，是由磨粒、結(jié)合劑和空隙構(gòu)成的磨削工具。

       數(shù)控磨床在制造發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等關(guān)鍵工業(yè)部件中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，不僅在汽車行業(yè)，在工程機(jī)械、鐵路車輛和船舶制造等領(lǐng)域也廣泛使用，用于加工如曲軸和活塞環(huán)等核心部件。

       在高科技領(lǐng)域，如航空航天和國防軍工，數(shù)控磨床對于新材料和新技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要，包括晶體、陶瓷、超硬材料和特種耐磨材料等。因此，對高精度、智能化和創(chuàng)新型數(shù)控磨床的需求在這些領(lǐng)域持續(xù)增長。

       為何此時(shí)提起磨床？

       隨著國內(nèi)制造的高端數(shù)控磨床在市場上獲得越來越多的認(rèn)可，其整體競爭實(shí)力顯著增強(qiáng)，本土品牌逐漸嶄露頭角，預(yù)示著國產(chǎn)高端數(shù)控磨床的市場份額將穩(wěn)步增長。

       中國的制造業(yè)正在經(jīng)歷從“大規(guī)模生產(chǎn)國”向“高質(zhì)量制造國”的轉(zhuǎn)型，預(yù)計(jì)未來將更多地追求“高端、高回報(bào)”的商業(yè)模式，而非傳統(tǒng)的“低利潤、高銷量”策略。同時(shí)，對精密、高效、高附加值的先進(jìn)數(shù)控磨床的需求預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)上升。

       《中國制造2025》戰(zhàn)略文件設(shè)定了明確目標(biāo)，即到2025年，高端數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的國內(nèi)市場份額需超過80%，中高端功能部件如主軸、絲桿、線軌等的市場份額也應(yīng)達(dá)到80%，同時(shí)力爭使高端數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造設(shè)備整體躋身世界領(lǐng)先水平。

       面對西方國家，特別是從“巴統(tǒng)清單”到“瓦森納協(xié)定”的框架下，對中國實(shí)施了嚴(yán)格的技術(shù)限制措施。例如，從日本進(jìn)口的高端磨床必須經(jīng)過嚴(yán)格的審查程序，并受到使用和轉(zhuǎn)移的限制。隨著國際關(guān)系的緊張，對中國的高精度多軸機(jī)床的技術(shù)封鎖似乎有加劇的趨勢。

       目前，日本、美國、德國等國家在磨床技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，他們的企業(yè)通過不同的市場定位策略，如“全面覆蓋”（如PSS集團(tuán)旗下的多個(gè)磨床品牌）或“專注細(xì)分市場”（如三井精機(jī)在螺紋磨床市場的領(lǐng)先地位），來鞏固市場地位。然而，從技術(shù)和專利的角度來看，中國企業(yè)正在迅速迎頭趕上。

       海關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國的磨床進(jìn)口額曾達(dá)到10億美元的高峰，盡管近年來有所下降，2022年的進(jìn)口額仍高達(dá)8.35億美元，顯示出較大的進(jìn)口替代潛力。此外，進(jìn)口磨床的平均價(jià)格遠(yuǎn)高于出口價(jià)格，例如2022年數(shù)控平面磨床的進(jìn)口平均價(jià)格為18.31萬美元，而出口平均價(jià)格僅為4.44萬美元。

       目前，國內(nèi)生產(chǎn)的五軸工具磨床與國外同類產(chǎn)品在技術(shù)上的差異已顯著縮小，業(yè)界專家預(yù)計(jì)，在市場需求的推動(dòng)下，國產(chǎn)磨床有望逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品。

       根據(jù)《復(fù)合磨床專利及機(jī)床行業(yè)知識產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀分析》的統(tǒng)計(jì)，截至2020年8月，中國在磨床技術(shù)領(lǐng)域的專利數(shù)量高達(dá)14257項(xiàng)，位居全球首位。

       根據(jù)《國產(chǎn)與進(jìn)口五軸工具磨床加工能力對比測試》報(bào)告中的案例分析，國產(chǎn)與進(jìn)口磨床在加工D10抗振銑刀的性能對比中，均展現(xiàn)出了合格的加工參數(shù)和良好的一致性。

       特別是在檢測樣品的刃徑、芯厚、前后角及跳動(dòng)的一致性方面，國產(chǎn)磨床的表現(xiàn)略優(yōu)于進(jìn)口磨床。盡管國產(chǎn)磨床在裝夾和外徑跳動(dòng)的精度方面與進(jìn)口磨床有些許差距，但兩者加工生產(chǎn)出的產(chǎn)品參數(shù)差異不大。

       這表明國產(chǎn)磨床在加工抗振銑刀方面的調(diào)整控制能力已經(jīng)能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與進(jìn)口磨床的性能相當(dāng)。這反映出國產(chǎn)磨床在技術(shù)積累方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，具備了與國際品牌競爭的實(shí)力。

       多輪增量需求持續(xù)加速國產(chǎn)化率

       機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)顯示，2022年，中國磨床的進(jìn)口額占到了金屬加工機(jī)床總進(jìn)口額的12.2%，鑒于磨床在進(jìn)口機(jī)床中所占比例較高，主要負(fù)責(zé)精密加工，我們可以假設(shè)其在金屬加工機(jī)床中的占比為8%。根據(jù)中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)的估算，2022年國內(nèi)金屬加工機(jī)床的市場消費(fèi)額為1843.6億元人民幣，換算成美元約為274.1億美元。按照8%的占比計(jì)算，磨床的市場潛力約為147.49億元人民幣。

       目前，絲杠、鈦合金和碳化硅這三大領(lǐng)域正推動(dòng)著市場需求的增長。

       在絲杠的制造過程中，初步加工可以采用磨削、硬車削或旋風(fēng)銑等方法，而精加工則主要依賴磨削技術(shù)，磨削工序占整個(gè)加工時(shí)間的近四成。以秦川機(jī)床的案例為例，磨床的投資在絲杠生產(chǎn)線設(shè)備投資中占比接近一半。絲杠的制造難點(diǎn)主要在于滾道的加工，無論是螺母還是絲杠軸，都需要進(jìn)行螺紋加工。據(jù)行業(yè)分析，考慮到不同的加工時(shí)間，對于100萬臺(tái)人形機(jī)器人，磨床的市場空間可能在22至44億元人民幣之間。

       目前，行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)在絲杠磨床方面主要依賴日本和德國的進(jìn)口設(shè)備，例如秦川機(jī)床購買的高精度床身導(dǎo)軌磨床，單價(jià)高達(dá)2800萬元人民幣。

       一方面，國產(chǎn)螺紋磨床已經(jīng)積累了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)實(shí)力，例如上海機(jī)床廠在2014年推出的SK7420型號已經(jīng)能夠加工P1級滾珠絲杠副，顯示出國內(nèi)企業(yè)有能力制造高端螺紋磨床；另一方面，人形機(jī)器人行業(yè)對絲杠的成本控制要求較高，對定制化開發(fā)和自動(dòng)化升級的需求也日益增長，國內(nèi)企業(yè)由于更接近終端客戶，有望在這一領(lǐng)域搶占先機(jī)。隨著人形機(jī)器人行業(yè)的快速增長，使用國產(chǎn)設(shè)備以降低成本已成為一種趨勢。

       從長遠(yuǎn)來看，如果人形機(jī)器人的產(chǎn)量迅速增加，可能會(huì)帶來大量的絲杠需求。東吳證券研究所的分析預(yù)測，在中性假設(shè)下，到2030年，人形機(jī)器人使用的行星滾柱絲杠磨床市場空間可能達(dá)到50億元人民幣，顯示出巨大的市場潛力。

       天風(fēng)證券研究所測算，當(dāng)人形機(jī)器人年產(chǎn)能達(dá)100萬臺(tái)時(shí)，對應(yīng)高精度數(shù)控磨床/數(shù)控磨床市場規(guī)模約為29.4/8.4億元，預(yù)計(jì)人形機(jī)器人共計(jì)為磨床市場帶來37.8億元增量空間。

       在鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域，蘋果公司在其手機(jī)和手表產(chǎn)品中采用鈦合金，這促進(jìn)了磨削和拋光設(shè)備的需求增長。

       在消費(fèi)電子制造中，磨床被普遍應(yīng)用于智能手機(jī)和筆記本電腦的玻璃屏幕、外殼和框架的打磨和拋光工藝。鑒于蘋果公司在其手機(jī)和手表產(chǎn)品中采用鈦合金，預(yù)計(jì)其他安卓系統(tǒng)手機(jī)制造商也將開始采用此類材料。

       鈦合金的加工挑戰(zhàn)較大，如在磨削過程中可能出現(xiàn)的高溫和砂輪粘附現(xiàn)象，這可能需要對現(xiàn)有的磨削和拋光設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級或更換，從而刺激相關(guān)設(shè)備市場的增長。

       由于鈦合金具有低熱傳導(dǎo)性、易于加工硬化、與工具的親和力強(qiáng)和較小的塑性變形等特性，其加工難度較高，對加工設(shè)備的性能要求也隨之提高。在鈦合金的粗加工之后，通常需要進(jìn)行研磨和拋光，以提高產(chǎn)品的精度和表面光潔度。鈦合金框架的加工時(shí)間大約是鋁合金的3到4倍，隨著鈦合金在3C電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，對磨床加工設(shè)備的需求也將隨之增長，預(yù)計(jì)這一趨勢將持續(xù)。

       在碳化硅領(lǐng)域，硅片的制備過程中涉及到的滾磨、倒角、研磨和拋光等步驟均需使用磨床。

       Wolfspeed的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2027年，汽車領(lǐng)域碳化硅的使用率將顯著提高，市場規(guī)模有望達(dá)到49.86億美元，年復(fù)合增長率為39%，這將進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)磨削和拋光設(shè)備的需求。