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机床刀具行业研究报告:国产机床刀具厂商蓄势待发

机床主轴通过切削刀具作用于工件,刀具可根据材质与结构分类。机床是工业母机, 刀具则是机床直接作用于工件的锋刃,对整体加工效果有重要影响。机床主轴与刀 具系统间一般由工具系统连接,刀具系统根据材质的不同可分为工具钢、硬质合金、 陶瓷、超硬材料刀具,根据结构的不同可分为可转位刀具、整体刀具、焊接刀具。

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机床刀具行业研究报告:国产机床刀具厂商蓄势待发

来源: 点击数:756次 更新时间:2021-06-12

  核心观点:


  机床刀具是工业消费品,赛道好空间大,国产刀具行业有较大提升空 间。刀具是机床加工中使用的耗材,需求较为稳定,周期性较弱。根 据华锐精密招股书,全球市场规模超过 300 亿美元,国内约 400 亿元。 根据山特维克与肯纳金属年报,全球市场高端应用集中在航空、汽车 领域与欧美地区。根据华锐精密及欧科亿招股书披露,国内刀具消费 占机床消费比例约 25%,低于发达国家的 50%;硬质合金刀具中刀片 占比约 50%,亦低于发达国家。随着产业升级及机床数控化率提升, 国内整体刀具消费及数控刀片市场均有较大提升空间。

  

机床刀具行业研究报告:国产机床刀具厂商蓄势待发.png


  市场竞争围绕产品与服务,高端直销为主,中端经销为主。数控刀片 核心技术包括基体材料、结构设计、精密成型、涂层等环节。刀具对 加工质量、成本与销量有直接影响,同时需根据加工材质、加工工艺 的不同进行针对性设计,种类繁多。高端市场需提供整体解决方案, 以直销为主,山特维克一方面布局全球培训、配送、售后网络,一方 面利用数字化技术赋能非标定制。中端市场综合比拼产品性能与价格, 日韩及国内企业以经销为主。


  国产刀具性能已与日韩产品相当,进口替代有望加速。进口产品第一 梯队为山特维克等欧美企业,第二梯队为三菱等日韩企业。国产刀具 性能上已与日韩刀具相当,尚弱于欧美刀具,在产品力角度已具备部 分进口替代条件。部分国内企业如华锐精密、欧科亿等采取产品集中 攻关,销售尝试新模式等策略,取得较快成长。根据行业各公司招股 书与年报数据,2017 年至 2020 年,华锐精密与欧科亿数控刀片产量 年复合增长率分别为 33%和 40%。若考虑株洲钻石与厦门金鹭在内, 四家国内主要企业数控刀片产量 2017 年至 2020 年从 1.2 亿片提升至 2.3 亿片,年复合增长率约 22%。


  一、机床锋刃:刀具系统


  (一)直接作用于工件,硬质合金数控刀片占据主流


  机床主轴通过切削刀具作用于工件,刀具可根据材质与结构分类。机床是工业母机, 刀具则是机床直接作用于工件的锋刃,对整体加工效果有重要影响。机床主轴与刀 具系统间一般由工具系统连接,刀具系统根据材质的不同可分为工具钢、硬质合金、 陶瓷、超硬材料刀具,根据结构的不同可分为可转位刀具、整体刀具、焊接刀具。

  

机床主轴通过切削刀具作用于工件.png


  硬质合金各项性能较为均衡,在材质中占据主流。切削刀具材质主要包括工具钢、 硬质合金、陶瓷、超硬材料等,各类材料具有不同优劣势,如工具钢的耐冲击性较 好、硬度相对较差,陶瓷材料的化学稳定性高、强度与韧性低,超硬材料硬度最高、 断屑性能不佳。硬质合金由作为主要组元的难熔金属碳化物(如碳化钨)和起粘结 相作用的金属(如钴)组成,硬度、耐磨性、强度及韧性指标较为均衡,可用于车 铣钻等多种工艺,铸铁、有色金属、不锈钢等多种材料的加工。


  全球及国内硬质合金占比分别为63%和53%,国内占比有进一步提升空间。根据华 锐精密招股说明书披露,世界及国内切削刀具中,硬质合金占比分别为63%和53%。 硬质合金国内外占比差异部分与产业结构有关,如根据沃尔德招股书,国内消费电 子行业发展较快使得适用于屏幕切割的超硬材料占比上升。随着国内经济的进一步 发展与汽车、航空航天等高端装备行业的突破,硬质合金材料占比有望向世界平均 水平靠近。

  

国内切削刀具产品市场结构.png


  相比整体或焊接刀具,刀片灵活性及经济性较好。焊接刀具与整体刀具均一体参与 切削,发生磨损后需要重新磨制或直接报废。可转位刀具系统由固定刀杆和可替换 和转位的刀片组成,灵活性及经济性较好。海外龙头刀片销售占比较高,以山特维 克为例,2018年刀片销售与圆柄刀具销售的比例约为3:1。根据欧科亿招股说明书披 露,2019年刀片销售约占硬质合金刀具销售的50%。随着国内刀片行业发展及机床 数控化率提升,国内刀片销售占比有望向上提升。


  (二)全球市场超过 300 亿美元,汽车与航空应用较多


  全球市场超过300亿美元,20年受疫情影响下滑,亚洲市场恢复较快。根据华锐精 密招股书,2016年-2018年全球切削刀具消费额分别为331亿美元、340亿美元和349 亿美元,稳定在300亿美元以上。根据山特维克年报,2020年刀具业务受疫情影响, 销售额为35.4亿美元,较2018年下降约25%,但亚洲中端市场从20Q2开始率先复苏。 从国内金属切削机床产量情况看,2019年受贸易战因素影响景气度较差,2020年克 服疫情影响后景气提升较快,月产量累计增速在2020年10月由负转正,对刀具消费 产生拉动作用。

  

全球切削刀具收入规模.png


  高端刀具:市场集中在汽车、航空产业与欧美地区。根据山特维克年报披露,高端 刀具市场竞争主要在山特维克、肯纳金属及伊斯卡间进行,中端市场的竞争者还包 括日本三菱、中国株钻等。根据山特维克及肯纳金属年报,行业方面,除通用机械 行业外,汽车、航空是刀具消费量最大的细分行业,收入占比合计约40%。在受疫 情影响前,山特维克航空业务收入提升较快,由2015年的4.8亿美元增加至2019年 的7亿美元,贡献了同期刀具收入增量的63%。地区方面,欧美是主要市场,收入占 比合计在70%以上。


  中端刀具:日本销售额保持稳定,硬质合金占比显著上升。日韩刀具是中端市场的 代表,包括三菱综合材料、京瓷、特固克、克洛伊等公司。根据Bloomberg数据, 2011年-2019年,日本机床刀具销售额由3868亿日元增长至4560亿日元,年复合增 长率为2.1%。同期,硬质合金刀具销售额年复合增长率为3.3%,收入占比由59%增 长至65%。


  (三)国内市场规模约 400 亿元,制造业升级带来增长契机


  国内市场规模约400亿元,作为耗材受周期影响较小。根据欧科亿招股书数据,2005 年至2011年,国内刀具市场与金属切削机床市场共同经历了快速增长,刀具市场规 模由137亿元增至400亿元,年复合增长率为19%。2011年后,国内金属切削机床经历产业调整,产量由2011年的86万台下降为2019年的42万台,刀具作为耗材,受周 期影响较小,消费额维持在400亿元的规模。

  

国内刀具市场规模(亿元)及同比增速.png


  数控化率提升、消费占比提升带来增长契机,数控刀片首先受益。刀具的性能很大 程度上决定了机械加工质量与生产效率,现代数控机床需与高效刀具互相协调、平 衡发展。根据华锐精密招股书披露,德国、美国、日本等制造业强国的机床数控化 率在60%以上,刀具消费规模为机床消费的50%。2019年,中国金属切削机床数控 化率为38%,刀具消费额占机床消费的25%,处于快速提升阶段,但仍与发达国家 存在较大差距。


  在我国刀具产品消费结构中,由于我国机械加工的机床数控化水平较低,数控刀片 占比较低。根据欧科亿招股书披露,国内硬质合金刀具产品中刀片与其他刀具的比 例约为1:1,而山特维克2018年数据为3:1,预计国内数控刀片消费将首先受益于制造业升级,增长空间广阔。


  进口刀具金额保持稳定,占比逐渐下降。根据华锐精密招股说明书披露,中国刀具 进口规模保持在130亿元左右,2015年前,进口占比有所上升,反映了下游制造业 升级,对高端产品需求增加。随着国内包括华锐精密、欧科亿在内的新兴企业涌现, 国产替代启动,进口占比由2015年的37.2%逐步下降至2019年的34.6%。

  

中国进口刀具金额(亿元)及市场份额.png


  二、抽丝剥茧:刀具行业的竞争逻辑


  (一)产品端:材料与工艺构成繁多品类


  刀具产品主要根据工件材料、切削工艺进行分类。切削刀具直接作用于工件,不同 工件材质及不同切削工艺都对切削刀具产生不同需求,形成繁多的产品种类。如按 工件材质区分,可分为钢、不锈钢、铸铁、有色金属、耐热合金、淬硬钢等,如按 切削工艺区分,可分为车削、铣削、钻削等。


  工件材料中占比较高的是普通钢、难切削材料(不锈钢、耐热合金等),需进行基 体、结构、涂层等方面的针对性研发。根据欧科亿披露,工件材料根据ISO标准可 分为钢、不锈钢、铸铁、有色金属、耐热合计、淬硬钢等六组,其中普通钢使用占 比最高为30%,不锈钢、耐热合金等难切削材料使用占比为23%。为适应不同工件 材料的加工要求,刀具厂家需在基体材料、结构与涂层方面进行针对性研发,如欧 科亿主要针对钢材切削开发了通用槽型、梯度结构基体、高耐磨低摩擦化学涂层等。

  

工件材料使用情况构成.png


  切削工艺中车削、铣削占比较高,刀具工艺特点不同。机床金属切削工艺包括车削、 铣削、钻削、镗削等,其中车削与铣削占比较高。根据Wind数据,在德国金属机床 产值中,车削、铣削各占16%和11%,部分兼具车削、铣削工艺的加工中心占25%, 合计为52%。车削工艺中工件做主运动,通常只有一个切削刃参与切削,铣削工艺 中,刀具做主运动,通常有多个切削刃同时参与切削,该种工艺的区别使得车削刀 片与铣削刀片在结构、轮廓、生产精度控制、涂层技术等方面均存在区别。


  (二)渠道端:直经销并存,高端需求定制化


  刀具成本占比一般较低,少数用户超过5%,消费额举足轻重。以航亚科技为例,其主 要产品是航空发动机零部件,工件材质主要为钛合金等难切削材料,其刀具采购额 占营业成本的比例约在12%左右。若我们假设每个企业营业成本一致,经简单估算, 刀具成本占比在5%以上企业的刀具消费额是所有成本区间企业中最多的,占整体刀 具消费额的比例在30%左右。


  高端市场以直销为主,中低端市场以经销为主,客户库存量较少。根据第四届切削 刀具用户调查报告,约有30%的刀具系直销,60%为经销,还有9%为电商销售,在 整体市场中,经销占据主要地位。中低端市场以经销为主,根据华锐精密招股书, 数控刀具业务中经销占比均在80%以上。高端市场以直销为主,根据山特维克年报, 其收入中55%-60%为直销,其中在亚洲市场高端产品为直销,中端产品为经销。

  

第四届切削刀具用户调查报告:库存量.png


  (二)生产端:多环节、高投入


  数控刀片核心技术包括基体材料开发、结构设计、精密成型、涂层四大环节,细节 技术不同企业各有侧重。基体材料技术可细分为牌号开发及稳定性控制技术,结构 设计主要是槽型设计,精密成型可细分为模具制备、混合料制备、压制成型控制、 烧结成型控制、磨削加工技术,涂层可细分为PVD涂层开发、CVD涂层开发技术。 刀具企业一般均具有着四大技术环节,但在具体细节上各有侧重,若比较华锐精密 与欧科亿的精密成型环节,除压制、烧结等共同环节外,华锐精密更加强调模具制 备,欧科亿更加强调磨削加工。


  数控刀片生产环节主要包括配料、压制成型、烧结成型、深加工、涂层等,进口设 备投资较大。数控刀片的生产环节与核心技术环节存在对应关系,配料、压制、烧 结共同实现基体材料技术,压制、烧结、深加工共同实现结构设计与精密成型技术。 根据华锐精密与欧科亿招股书,其主要生产设备投资较大,年产能单位投资额约4 元/片,占产品单价的约70%,除烧结炉实现国产,压机、磨床、PVD涂层炉、CVD 涂层炉等主要设备仍需要从德国、瑞士、日本等国进口。

  

数控刀片生产流程.png


  华锐精密与欧科亿在设备投资上大方向一致,细节有所差异。华锐精密与欧科亿的 基本工艺流程一致,主要设备在种类上一致,受产品结构与具体工艺路线影响在细 节上有所差异。如在精密成型方面,欧科亿对磨床投资较多,在涂层方面,华锐精 密的铣削刀具较多,因此对PVD涂层炉的投资较大。


  行业整体的投资较重,资产周转率较低。主要公司总资产周转率均均低于1,其中山 特维克、肯纳金属高于0.8,领先与株洲钻石、欧科亿、华锐精密等国内企业,体现 了较高的运营效率与产品附加值。


  成本主要由直接材料与制造费用构成,原材料价格影响可控。华锐精密与欧科亿在 刀具业务方面均呈现出以直接材料与制造费用为主的成本结构,直接材料与制造费 用各占营业成本的40%-50%,其余10%为直接人工成本。华锐精密的主要原材料为 碳化钨及钴粉,占营业成本的比例分别约为30%及10%,其中占比最高的碳化钨近 年市场价格保持稳定,价格变动一般不超过20%,对利润总额的影响约10%,钴粉 价格变动相对较大,但占成本比例较低,原材料价格对盈利能力的影响相对可控。


  三、精益求精:国产替代正当时


  (一)他山之石:海外巨头成长之路

  

山特维克分业务收入(百万美元)及营业利润率.png


  刀具业务围绕产品及服务展开,山特维克两翼并进铸就龙头地位。刀具直接作用于 切削工件,其性能与加工质量、效率有直接关系,对产品性能要求较高;同时刀具 又与工艺紧密联系,需根据工件材质、切削参数等进行选择,种类繁多,服务也非 常重要。产品与服务是海外刀具巨头发展的两条主线。以山特维克为例,其产品革 新围绕材质、结构与涂层,先后推出了机械加紧可转位刀片、伽马涂层、模块化工 具系统、金刚石涂层、氧化铝单晶涂层等新产品;其服务早期围绕销售渠道展开, 逐步建立了完善的培训、配送及售后体系,后续重点推进数字化与定制化服务,通 过刀具选择程序、加工模拟程序等提升了非标定制的效率与经济性。


  山特维克业务广泛,近年重新聚焦盈利能力较强的刀具业务。与诸多跨国公司类似, 山特维克的业务广泛,除刀具业务外,还包括材料业务、矿山业务等,刀具业务收 入占比在2011年约为30%。刀具业务盈利能力较强,营业利润率一般高于公司整体, 2012年后山特维克重新聚焦刀具业务,主要是整合放弃了部分矿山业务。2019年, 刀具业务收入占公司40%,营业利润占公司63%,是公司无可置疑的核心业务。


  刀具业务的资本驱动性较强,收入与资产同步扩张。刀具业务资产较重,业务发展 离不开资产投入。2004年至2019年,山特维克机械加工业务收入由26亿美元增加至 44亿美元,年复合增速为3.4%,资产同步扩大,收入/资产保持在1.1左右,折旧摊 销占营业收入比例保持在5%左右。除少数年份因宏观环境变化,导致收入下滑、盈 利承压外,山特维克刀具业务多数年份的盈利能力较好,营业利润率保持在 20%-25%。


  提供整体解决方案,行业覆盖广泛。根据山特维克官网,其具备为航空航天、汽车、 石油天然气、医疗、模具、发电、风电等领域提供整体解决方案的能力。山特维克 的整体解决方案建立在具体零部件加工的基础上,覆盖广泛,以汽车为例,其业务 涵盖变速箱生产中涉及的轴、齿轮等,发动机生产中涉及的缸体、缸盖、曲轴、连 杆等,其他零部件中的壳体、转向节、制动钳等


  整体解决方案的提供依托于全面产品线。单一零部件的加工需经若干工序,需要不 同的机床刀具,山特维克全面的产品线支撑了其整体解决方案。以航空钛合金整体 叶盘为例,山特维克可为高进给侧铣、半精加工点铣、深槽插铣、钻削提供适用刀 具,并配套了适合小尺寸深入加工的刀杆系统。

  

山特维克航空钛合金整体叶盘解决方案.png


  并购进一步完善产品线。在发展过程中,山特维克收购了多家公司,主要包括法国 Safety S.A.(1971年收购),德国瓦尔特(2002年收购),挪威Teeness(2008年 收购),Precorp(2013年)。伊斯卡的母公司IMC集团(伯克希尔哈撒韦旗下)的 并购路径更为清晰,其整合了多家刀具公司,形成了全面与特长兼顾的布局,除产 品线全面的伊斯卡外,还包括擅长重型铣削、镗削的Ingersoll,擅长汽车发动机铝加工工具的It.Te.Di,擅长石油领域用螺纹刀具的Tool Flo等。


  (二)望其项背:国产刀具性能已与日韩产品相当


  硬质合金数控刀具通常包含材料性能及切削性能两个维度,材料性能包含基体硬度、 涂层硬度和冲击韧性等,一般而言硬度越高,冲击韧性就越差,通常要根据刀具的 具体应用领域平衡其硬度和韧性。切削性能则包含耐用度、加工效率和加工精度, 直接关系到切削加工的质量、效率与成本。材料性能与切削性能是相互联系的,一 般来说材料性能越好,切削性能也越好,在很多情况下刀具性能无法简单通过硬件 指标体现,需在实际切削中展现。国内部分厂商的刀具性能目前已与日韩刀具相当, 仍落后于以山特维克为代表的欧美刀具。


  材料性能指标上国产刀具与进口产品已处于同一水平。根据华锐精密披露,其PVD 与CVD涂层刀具在硬度、韧性指标上与进口产品基本一致,PVD涂层刀具在反映涂 层合金结合强度的大载荷划痕指标上略弱于三菱、特固克等日韩产品,总体性能指 标处于同一水平。


  切削性能方面国产刀具与日韩刀具相当,尚落后于欧美刀具。根据欧科亿披露,其 刀具在切削力、断屑、磨损、加工精度等方面已与三菱、泰珂洛等日韩刀具相当, 但仍与山特维克等欧美刀具存在差距。 在切削力方面,在不同参数下切割不锈钢时,欧科亿与三菱产品在X、Z、Y轴方向 上的切削力基本相当,处于同一水平。


  在磨损方面,欧科亿与三菱产品在切割不锈钢时表现相当,加工时间达到24分钟时 磨损超过0.3毫米,出现崩刃等现象;欧科亿与泰珂洛产品在切割钢件时表现相当, 在加工长度达到42米时磨损超过0.3毫米,出现崩刃等现象,但山特维克刀具在上述 工况下磨损较小,仍能正常加工。

  

不同品牌刀具磨损对比.png


  在加工精度方面,在选取的切割不锈钢及钢件的工况下,欧科亿与三菱及泰珂洛产 品互有优劣,整体表现相当,山特维克产品则在各工况中表现较好。


  (三)蓄势待发:国产刀具企业快速成长


  海外刀具巨头市场份额较高,国内企业近年成长较快。根据华锐精密披露,欧美数 控刀片生产起步于20世纪40年代,国内1988年才从山特维克引进了第1条硬质合金 数控刀片生产线。欧美刀具企业在国内市场竞争中仍处于第一梯队,日韩企业处于 第二梯队,2018年,国内企业中除株洲钻石外,市占率均小于1%。近年来国内企业 增长较快,华锐精密与欧科亿两家民营企业尤其突出,2017年至2020年产量分别增 长了175%和136%。结合厦门金鹭与株洲钻石披露数据估算,2017年至2020年,四 家国产头部企业数控刀片产量由1.2亿片增长至2.3亿片,年复合增长率约22%


  产品突破路径:集中攻关。数控刀片根据工艺与加工材质的不同具有繁多的类别, 对后发企业来说,集中攻关,以一点突破带动整体突破是可行的策略。欧科亿着眼 于工件材质,首先完成钢件的攻关,接下来依次开拓不锈钢及铸铁材质业务。华锐 精密着眼于切削工艺,首先在铣削方面取得突破,随后带动市场空间更大的车削业 务。集中攻关使国内企业取得了最初的市场突破,但无论是开拓高端市场,还是提 供整体解决方案,都要求国内企业下一步提升产品的全面性。

  

华锐精密分切削工艺收入构成.png


  销售路径:尝试新模式。刀具传统销售模式为直销与经销,其中直销面向终端用户, 经销面对代理商。欧科亿与华锐精密在市场开拓过程中进行了新销售模式的尝试, 欧科亿利用部分工具企业的客户资源优势,开拓OEM/ODM业务,促成了销量的快 速提升;华锐精密打破行业惯例,尝试开展专卖店业务,在产品推广策略、考核政 策、技术支持方面与一般经销有所区别,致力于提升公司在终端用户中的影响力。


  资本市场助力行业进一步发展。2020年对刀具行业来说是资本市场大年,株洲钻石 通过上市母公司定增募资扩产,华锐精密与欧科亿成功实现科创板IPO。在具备市场 契机与资金保障的情况下,主要刀具厂商纷纷进行扩产,在硬质合金数控刀片方面 包括株洲钻石2000万片、华锐精密3000万片、欧科亿4000万片、厦门金鹭4000万 万片,合计1.3亿片,约占这4家企业2020年产量的50%。成功科创板上市的欧科亿 与华锐精密均规划了研发中心项目,目前在研项目既包括涂层、超细纳米、金属陶瓷等基础研究,也包括航空加工、高温合金加工、小零件加工等国内急需的应用研 究,若实现技术突破,将进一步加快进口替代的速度。


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