堪比芯片的重要产业，站在风口的工业母机

作者 | Frank Sun

编辑 | Jason

工业母机概念、历史及意义

在10月召开的二十大报告中，首次提出了“以新安全格局保障新发展格局”，可见在百年未有之大变局和复杂的地缘博弈形势下，后续无论是发展经济还是投资都应积极响应号召，以变应变、把安全问题也算入“经济账”。这也是当前我国加快发展新能源产业、芯片产业的重要考量。

而高端工业母机作为重要的战略性产品，从 “巴统协定”到 “瓦森纳协定”，西方国家始终对我国的工业技术发展施加限制和防范，实施出口许可证制度，部分高端机床无法进口，部分配件、组件和数控软件也和芯片类似，存在“卡脖子”的问题。

故而，随着当前局势的愈发紧张，一方面我国坚持扩大对外开放，不“闭门造车”；另一方面在产业链高端进行攻坚研发也大有可为。

▲大型五轴联动数控机床

2021年初，财政部和工信部联合发布了《关于支持“专精特新”中小企业高质量发展的通知》，重点支持 1000 余家国家级专精特新“小巨人”企业，为其提供资金补助。21年7 月，政治局会议中提出强化科技创新和产业链供应链韧性，加快“卡脖子”难题解决进度。同年8月，国资委将工业母机、高端芯片、新材料、新能源汽车等作为关键领域，开展补链强链专项行动。值得注意的是，尽管当前“热度”不如芯片、新能源汽车等产业，但工业母机是列在首位的项目。

工业母机原称“机床”，是发展轻重工业的一大基石，其品种是否齐全、质量精度是否到位、加工效率是否有经济性，直接影响着下游机械和机械产品的水准。对于制造业而言，农业、矿产、冶金、化工、新材料等上游行业提供可供制造之“材”，而工业母机则是直接进行“制造”或是间接提供制造“机具”。

从发展历史来看，1774年，英国人发明了第一台真正意义上的机床——炮筒镗床，后在工业化时代得到大发展；二战以后，随着计算机技术的出现，机床也开始了数字化进程，1952年，第一台数控机床在美国麻省理工学院诞生；当代，智能化数控技术随着新一代信息技术和人工智能技术的进步，数控机床朝着赛博物理融合的新一代智能数控方向发展。

工业母机作为整个工业体系的基石之一，是一切制造业的基础，下游直接涉及国防军工、石油化工、汽车产业、造船业、高铁、大飞机、机械等种种制造工业（具体到数控机床的下游应用，汽车是主要的应用领域，占比约为40%左右；其次是航空航天业，比重约为17%左右），其技术发展程度不但直接关系到国家的工业发展水平和综合竞争力，同时也关系到国家安全的保障。

二战期间，美日于1941年爆发了太平洋战争，从深层次来看固然是两国地缘利益之争，但其直接动因之一，就在于美国主导对日本进行石油、废钢和机床的出口禁运；上述措施在工业和经济层面逐渐“窒息”日本的生存，客观来说也是日本偷袭珍珠港、主动发起战争的重要因素。

而在冷战期间，美英为首的西方阵营通过建立巴黎统筹委员会对东方阵营进行各项重要技术、资源和贸易禁运，其中高端工业母机就是重点之一。这期间，对西方国家安全危害最大的军用敏感高科技走私案件之一“东芝事件”，就是1983年日本东芝机械公司与挪威康士堡公司合作，向前苏联出售了当时最先进的工业技术设备、制造大型完美曲面件必不可少的五轴联动数控机床。

前苏联获取五轴联动数控机床后，使航母、核潜艇等大型船舶的螺旋桨制造工艺水平和效能得到了大幅提升，特别是使核潜艇的静音水平有了明显提升，从而明显增加了北约诸国海军的跟踪难度。事件于1987年曝光后，连日本首相中曾根康弘也不得不亲自道歉。

工业母机基本情况介绍

机床可分为金属切削机床和金属成形机床，其中占比较大也应用较为广泛的是金属切削机床，是用切削、磨削或特种加工方法加工各种金属工件，使之获得所要求的几何形状、 尺寸精度和表面质量的机床。按功能划分，金属切削机床包含车床、铣床、镗床、钻床、 磨床等众多不同用途的细分品类；而金属成形机床包括冲压机、锻造机、剪板机、冲床、激光切割和折弯机等细分品类。如按照是否采用数控技术，可分为数控、非数控和其它数据机床；数控机床按加工形式又可细分为立式加工、龙门式加工、卧式加工和其它加工。

在结构上，最主要的数控机床一般包括三大部分：即机床的固定基座部分（如底座、床身、立柱、头架等）、携带工件和刀具的运动部分、以及数控系统。固定部分和运动部分一般又统称为机床的基础件和功能件；而后两部分即数控机床的核心硬件和软件。

▲数控机床运作及应用示意图

在具体运作上，功能件（即硬件）中的主轴是机床上带动工件或刀具旋转从而实现机床切削加工的核心部件，分为机械主轴及电主轴。机械主轴使用较早，特点为转速低、切削能力强、精度低；电主轴为近些年来新兴技术，特点为转速高、精度高、体积小、适应性强，未来电主轴替代传统机械主轴将是数控机床主轴发展的主要趋势。

除主轴及配套的主轴箱、轴承套、电机等等配套零部件外，还有导轨、丝杆、摆头、尾座和转台等共同构成了传动系统；传动系统则带动切削的刀具，刀具相关的又有刀盘、油缸、专用轴承、分度盘。以上功能件的精密程度，是数控机床加工水平的硬件基础。

而数控系统（软件）则是控制上述的硬件操作，最终实现工艺的另一关键要素。通过编程实现加工命令的传送和实现。当代的高档数控系统具备强大和丰富的功能，来对功能件的复杂运动进行操控，进而加工多线型、异形曲面的各种形状复杂的部件 ，是极具核心价值的软件系统，也是德、日、美等机床大国的重要战略资源。具体地，数控系统通常由控制单元、驱动单元、电机单元和传感单元构成闭环控制系统，系统价值约占高端数控机床成本的 20%~40%。

▲2019年全球前十大数控机床企业营收排名（数据来源：赛迪顾问；单位：亿美元）

概言之，即发展高端的数据机床，既要有良好的机械加工硬件基础、又离不开数控编程的软件系统，在前者主要是德国、日本等具有工匠精神传统的国家，而后者则是美国有明显优势，所以德国、日本和美国是世界主要的高端数控机床生产强国。如上图，以2019年营业收入计，全球前十大数控机床企业均为上述三国企业；不但营收规模较大，而且在技术层面也处于领先地位。

▲部分优势企业核心零部件来源一览

但值得注意的是，工业母机产业虽然不像芯片产业是最为全球化的产业，但其国际分工合作也较为明显，即使上述的大型头部企业或是术业有专攻的细分领域领先企业，其产品中也有相当部分组件需要外购。

国内工业母机发展及现状

1949年前，受时局和多年战乱影响，我国的机床工业整体处于初期阶段，数量少、技术并不先进，也缺乏体系。洋务运动期间，曾国藩曾提出“觅制器之器与制器之人”，1863年容闳受曾国藩委派，历时两年从美国采购了首批机床；之后，由曾国藩规划、李鸿章实际负责的江南制造局也开始仿制机床；到20世纪三十年代（即民国“黄金十年”），大连、沈阳、昆明等地又先后成立了一批机床企业，使我国的机床工业初具规模；但在新中国成立时，全国机床保有量仅为9.5 万台左右，且技术水平不高， 到1952 年，国内金属切割机床的年产量也只有1.37 万台。

我国机床产业首次进入快速发展期要到朝鲜战争胜利之后，苏联在“一五”计划期间，向我国援建以156个重点项目为代表的工业特别是重工业，其中就包括一大批机床项目。这一时期援建及布局的机床工业骨干企业被称为“十八罗汉” ，同时还有以北京金属切削机床研究所为代表的“七所一院”等机床工具研究机构。“十八罗汉”和“七所一院”为后续我国工业母机的发展打下了良好基础，形成了较为完整的工业和科研体系。

当然，如大连机床厂，沈阳第一、第二机床厂，昆明机床厂和上海机床厂等大多数企业在民国时代就已建立，援建更多的是技术设备的提升和人员的培训等。同时， “一五”计划期间，我国也是以消化、吸收和仿制为主，在核心技术上仍然有所欠缺。值得一提的是，我国在1958 年就制造出了第一台数控机床，比美国晚6 年，只比德国、日本和苏联晚2 年，时间上几乎处于同一起跑线。

“一五”后至改革开放前，我国机床工业一方面在规模上有了明显扩大，伴随“三线建设”的备战需要，又建设了一大批机床企业；同时在技术领域也对高精度高精密机床进行攻关，掌握了5类26种相关技术，使机床工业水平有了一定程度提高。但这一时期在机床生产上受战备时局影响，过于注重产量，据相关资料，1961年至1978年，我国生产的164万台机床，整体合格率仅有60%；又被东西方阵营同时封锁，缺乏技术交流，使我国数控机床等技术和产业发展逐步滞后。

改革开放以后，我国机床产业主要是在两大方面有所进步，一是以“十八罗汉”为代表的主要企业为适应市场机制，相继进行了转制重组；二是通过对外窗口的打开，既完善提升了技术水平，也初步打开了出口市场。

在此基础上，机床产业在2001年加入WTO后迎来了爆发式增长。以沈阳机床为代表的骨干企业业绩大增，07 年沈阳机床营业收入突破百亿元，09年我国机床产值和产量位居全球第一，11 年沈阳机床以180 亿元的营业收入位居全球第一。具体产量上，据相关资料在2001年至2011年，我国金属切削机床产量从25.6万台增长到88.68万台，是19年的2.1 倍（19年为42.1万台） ；数控机床产量从1.75万台增加到25.71万台，增长了14.7倍。

同时，我国企业也通过海外并购来加快提升技术水平，如沈阳机床接管德国Schiess GmbH，北一机床收购瓦德里希科堡，秦川机床收购美国工业UAI，大连机床收购英格索尔公司、德国兹默曼公司等等。但与此同时，我国中高端机床特别是中高端数控机床还是相对滞后，08年前国外产品市场占比在85%左右，细分来看据前瞻研究院数据，2018年我国低档数控机床国产化率约82%、中档数控机床约65%、高档数控机床仅约6% ；而中高端产品的附加值又恰恰很高，2008 年沈阳机床中高端产品的产量仅占总产量5％，但销售额占比却达到了45%。

可能也正是由于重量轻质的问题，单位产品利润薄弱，故而在08年至11年以后我国的机床产业迎来了拐点；同时由于业内不少企业前期为扩大规模、举债扩张，结果出现较大的财务问题。曾经营业收入全球排名第一的沈阳机床最后在19年重组，而大连机床厂则直接破产，其它国有企业也多困难重重。到目前，我国的机床龙头企业已“更替”为民营企业为主，并形成了东部沿海的一些数控机床产业聚集区，如山东滕州中小机床之都、江苏泰州特种加工机床基地、浙江温岭工量具机床名城、浙江玉环经济型数控车床之都、浙江宁波模具之都、安徽博望刃具之乡等。

工业母机市场情况及问题

工业母机市场和另一“卡脖子”领域的芯片的主要市场区别在于：芯片领域我国几乎直接消费了全球绝大多数的芯片，2021年（不考虑国产芯片）仅进口额就占全球芯片消费市场的77%；而由两图可以发现，在2011年至2012年高点滑落后，尽管我国机床生产和消费占比仍是全球第一大国，但比例甚至还略低于我国制造业产值的全球占比，19 年消费和产值分别194.20 亿美元和 222.90 亿美元，全球占比仅为23.07% 和27.16%。

同时全球来看，机床的生产和消费在各国间也相对更为分散，美国并不在技术或产业链上像芯片产业，具有绝对的技术垄断优势和产业掌控优势；后续如果要在“巴统协定”和 “瓦森纳协定”之外升级发起对我国的限制制裁，可能会有一定效果、但很难“密不透风”。

当然，站在我国的战略安全角度，提高高端数控机床的国产化率也势在必行，为此自2009年提出“04”专项后，近年来我国又先后出台系列鼓励扶持举措，有力促进了我国工业母机产业的发展。

正如之前分析，高端数控机床的两个核心在于数控编程的软件系统和精密的机械加工硬件。在2009年提出的“04”专项促进后，目前国内数控系统技术（软件）实力已逐渐向海外龙头看齐，以主攻五轴联动数控机床的科德数控为例，2011年企业就突破并掌握了高端数控系统的相关技术；并于2013 年实现了五轴联动数控机床的自主生产；2019 年“04 专项” 数控系统相关课题通过验收，完全自主知识产权的 GNC60 数控系统做到了与西门 840D 系统对标，总体通过率 95.85%。考虑到我国互联网的产业和应用水平，在数控软件领域取得突破是可以预期的，后续主要是以点到面，并落实到产业层面。毕竟我国的高端数控机床国产占比还不到10%，尽管不如芯片，但市场空间仍较为广阔。

反倒是硬件方面，我国机床的功能部件和关键零部件制造相对更为薄弱，如主轴单元、测量反馈单元、滚珠丝杠和导轨等功能部件的产业链成熟度仍然较低，使得产品品种少、质量差、寿命短，这和我国基础材料、传统机械加工领域的滞后一脉相承。但在“04”专项开展以后，国内功能部件供应链也逐渐迈向成熟，主轴、丝杠、导轨、刀塔等部件的供应商技术水平不断提升，同时头部数控机床企业也自制相当部分。以图表中我国机床头部企业为例，上述企业相当部分的部件都是自制，如秦川机床甚至基本都是自制还实现了外销。

正是有了软件和硬件的提升，国产高端数控机床才有所突破，甚至返销德国等机床强国。如科德数控的五轴立式加工中心对标哈默C42，五轴卧式加工中心对标斯达拉格，五轴车铣复合加工中心对标奥地利WFL 产品等，性能基本持平。在核心的误差控制即加工精度方面，对于闭环内动态误差控制方式，我国企业在模块设置上已经赶上甚至超越；对于闭环外误差控制，欧洲国家限制向欧盟外出口，我国还处于研究起步阶段。

毫无疑问，在当前的地缘形势下，工业母机特别是高端数控机床的基本国产化具有战略意义。尽管其市场规模和热度可能不如芯片，但对于国防军工、石油化工、汽车产业、造船业、高铁、大飞机、机械等各大制造业的意义可能还更胜一筹。因为在上述大装备领域，对于芯片的体积、能耗等限制性不强，中低端芯片本就应用更广；而没有高端数控机床就无法合格加工出复杂的构件，直接影响大装备的物理性能。

之前所介绍的苏联通过购买日本的五轴数控联动机床明显提高核潜艇的静音性能就是最好的例证；故而沈飞（我国主要军用飞机制造企业，引进消化苏27系列飞机，生产歼11、15、16系列，后续生产歼35隐形舰载机）就率先建立了高端数控机床国产功能部件应用的示范工厂。

1、《通用设备行业研究：中证机床ETF获批，“自主可控”之路加速》，国鑫证券；

2、《机械行业研究：通用机械需求临近复苏，首推工业母机》，国鑫证券；

3、《机械行业：安全发展报告之工业母机篇国之重器，国产替代势在必行》，光大证券；

4、《机械行业研究：通用机械需求临近复苏，首推工业母机》，国金证券。