2023年工业母机行业研究 国产机床整体偏低端化

1、工业机床：高档数控机床是主流方向，国产市场空间广阔

1.1、工业母机：国之重器，高端制造业的皇冠

工业母机是国家发展基石，质量与性能关乎国家产业发展的安全。工业母机又 称机床，可将金属毛坯加工成机器零部件，是制造机器的机器，广泛应用于传统 机械工业、模具行业、汽车工业、电力设备、铁路机车、船舶制造、航空航天工 业等领域。机床代表了国家工业发达程度，质量与性能决定了一个国家的制造实 力与发展水平，是国家基础制造能力的综合体现，关乎国家工业、产业以及国防 的安全。

根据加工方式的差异，机床工具行业可分为金属切削机床、金属成形机床、机床 附件及其他机械四大子行业。其中金属切削机床行业是我国机床工具行业中经济 规模最大、地位最显著的工业领域。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。 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，其中铣床、镗床、钻床又可以统称为镗铣类机床。 数控机床：在智能化逐步加深的过程中，数字控制的金属切削机床已逐步成为金 属切削机床的主流。数控金属切削机床通过计算机系统实现精度补偿和优化控制， 排除了系统误差，缩短了加工过程所需的辅助时间，具有高精度、高效率等特点， 与非数控金属切削机床相比，具有广泛的适应性。

1.2、市场概况：工业机床，大而不强

德国 VDW 口径下，2021 年全球工业机床市场规模 700 亿欧元，中国是全球最 大的工业机床消费市场。据德国机床制造商业协会（VDW）对全球市场的统计 数据，2002-2012 年全球机床市场产值规模从 345 亿欧元增长至 751 亿欧元； 2020 年全球经济受疫情影响机床产值下降幅度较大仅有 592 亿欧元。2021 年 实现恢复性增长至 709 亿欧元。按欧元兑人民币平均汇率计算，2010-2021 年 全球机床产值为 5000-6000 亿元。按机床类型来看，2021 年全球金属切削机床、 金属成形机床分别为 501 亿元、207 亿欧元。按区域来看，2021 年中国地区工 业机床消费规模 236 亿欧元（人民币约 1800 亿元），全球占比 34%。

中国自加入 WTO 之后迎来工业母机黄金十年，金属加工机床消费额大幅上升， 至 2011 年达到最高点。自加入 WTO 后中国机床产业增长迅速，据中国机床工 具工业协会数据口径，2001-2011 年中国金属加工机床生产额从 39.7 亿美元增 长至高点 390.9 亿美元，年均复合增速为 25.70%。此后随着国内经济结构的升 级、供给侧改革去产能，国内机床消费经历了 10 年的下行。2020 年受到疫情 影响，金属加工机床消费额达到 2011 年以来低点 213 亿美元。2021 年海外疫 情紧张导致供应链紧张，我国出口景气度较高，金属加工机床消费额恢复到 279 亿美元（人民币约 1800 亿元）。

国产机床和进口机床的差距体现在：国产机床整体偏低端化，高档产品主要从 德日等机床发达国家进口，国产机床高端化具备较大的成长空间。（1）高端机 床市场 80%被德日占据：德日品牌共同占据 80%的高端数控机床市场，国产品 牌替代中高端市场空间较大。（2）进出口的机床产品均价差异较大：据国家统计局、海关总署数据，2021 年我国进口金属切削机床均价 8.37 万美元（按 2021 年平均人民币美元汇率计算，54 万元），国产生产金属加工机床均价仅为 26 万 元，国产机床均价远低于进口机床价格。

日本对华出口高频数据呈现明显的 3 年周期属性，德国对华出口年度数据则经 历了 2012 年高点后 10 年的下行周期。从长短周期来看，日本对华订单环比及 德国对华出口金额数据均处于底部，中高端的数控机床市场需求拐点或将出现。 据日本机床工业协会数据，2022 年 1-12 月日本对中国出口累计金额为 28.9 亿 美元，同比下降 11.5%；据 VDW 统计，德国对华机床出口金额自 2012 年以来 持续下降至 2020 年最低点，2021 年德国对华机床出口金额 13.89 亿欧元，同 比增长 24.26%。

1.3、民企崛起：10年发展，民企崭露头角

在本土机床市场需求结构升级过程中，民营企业悄然崛起。2011 年本土机床市 场销售额达到顶峰后，市场需求结构改变，低端机床需求逐渐下降，国产中高档 数控机床面临与欧美、日韩等发达机床厂商的竞争，国有机床企业在转型中陷入 经营困境，沈阳机床、大连机床实施破产重整。部分民营机床企业抓住行业转型 机遇，定位中高档数控机床产品，围绕汽车、消费电子、高端装备等下游行业需 求进行产品开发，机床品质逐渐提升，与同等进口机床相比兼具价格优势，逐渐 在市场竞争中崭露头角，成为本土机床行业的骨干企业。

国产机床起步相对较晚，产品质量和精度上等方面与海外品牌均存在差距，高 端市场格局由外企主导。如前文所述，2021 年中国数控机床市场消费额 4405 亿元，空间广阔。与美国、德国、日本等发达国家相比，中国机床发展起步较晚， 技术较为落后；根据机床杂志社数据显示，国产数控机床的主要问题精度和稳定 性相对较差，其次是故障多、耐用度低；在可靠性方面，设计加工及装配质量、 关键零部件质量较差，可靠性低。在品牌和企业规模等方面与国际厂商相比存在 差距。高端市场格局由外企主导，本土优质厂商处于第二梯度紧随其后。

2、2023年景气度判断：三个周期共振

2.1、政策周期：安全发展的要求推动国产替代

党的“二十大”把“安全”放在最重要的位置。“二十大”报告中多次强调安全 对于国家发展的重要性，报告中一共 91 次提及“安全”二字，是出现频率最高 的词汇。从经济发展、产业政策角度我们梳理出与安全相关的提法：未来提升产业链安全保障、高端数控机床自主可控是保障我国安全发展的必然 要求。高端工业机床作为高端制造业产业链上的皇冠明珠、工业之母，在国家安 全密切相关的航空、军事领域的工业机床多有应用，在新时代安全发展观的要求 下，高端工业机床发展至关重要。

国家对于工业机床的支持政策从顶层设计到最基础的产业推广目录均做了全面 的铺垫，多部委多部门联合协同推进。随着我国的五轴机床、刀具行业的产业化 进步，与 2019 年政策相比，目前新推出的基础产业创新发展目录中可以看出， 政策的关注点在于补强产业链弱点、解决卡脖子问题，强调产业链安全，将核心 零部件电主轴、数控系统、工业软件等作为重点突破领域。

疫情以来，我国加大了对制造业、产业链的金融支持服务。根据国务院关于金 融工作情况的报告，2022 年金融行业加大对重点领域支持力度。截至 2022 年 9 月末，制造业中长期贷款余额 8.75 万亿元，同比增长 30.8%；科技型中小企业 贷款余额 1.56 万亿元，同比增长 26.3%。通过梳理商业银行中报数据，表 5 中 梳理的 2022 年商业银行对制造业的中长期贷款均保持了较高的同比增速。

金融机构为制造业信贷支持提供低成本资金、鼓励企业进行设备升级换代。为 了鼓励制造业企业进行设备更新升级，央行近期设立设备更新改造专项再贷款。 中国人民银行 2022 年 9 月 28 日宣布，设立设备更新改造专项再贷款，专项支 持金融机构以不高于 3.2%的利率向制造业、社会服务领域和中小微企业、个体 工商户等设备更新改造提供贷款。设备更新改造专项再贷款政策支持领域为教育、卫生健康、文旅体育、实训基地、充电桩、城市地下综合管廊、新型基础设施、 产业数字化转型、重点领域节能降碳改造升级、废旧家电回收处理体系等 10 个 领域设备购置与更新改造。设备更新改造专项再贷款额度为 2000 亿元以上，利 率 1.75%，期限 1 年，可展期 2 次，每次展期期限 1 年，发放对象包括国家开 发银行、政策性银行、国有商业银行等。

2.2、宏观周期：设备更换周期已经到来

从设备使用周期看，金属切削机床、金属成形机床分别在上一轮制造业扩产周期 2011 年、2014 年产量达到顶点。数控机床随着使用时间的延长，设备电器元件 老化、机械零件的磨损，将逐步进入升级更换周期。上一轮金属切削机床的高点 是 2011 年、金属成形机床的高点是 2014 年，随着国内制造业升级、对精度要 求提升，数控机床设备需求将逐步进入更新周期。

数控机床作为工业中的上游通用设备，具有很强的顺周期属性。机床设备作为 最上游的制造业加工母机、生产资料，属于固定资产投资范畴，机床的需求除了 更新需求外，最主要来自于扩产需求，工业机床的需求周期逻辑是“宏观信贷刺 激政策出台（货币政策）—内外需景气度回升（PMI、出口数据）—社融信贷数 据回升（社融信贷数据）—工业企业盈利改善（工业企业利润）—企业主决定扩 张产能—机床设备需求好转（机床设备需求）”。因此货币政策、信贷数据可以作 为宏观领先指标，中观数据是工业企业利润数据。

目前中国处于十年制造业资本开支下行周期的尾部，3-4 年小周期的底部。从大 周期看，从上一轮 2008-2009 年经济刺激后我国进行了大规模的产能扩张，但 随后面临了长时间的产能过剩问题，企业主的资本开支意愿减弱，制造业在外部 需求疲软、国内产能过剩的背景下，金属机床的需求在 2009 年增速达到顶峰后 持续了 10 余年到 2020 年达到底部。2020 年疫情开始后，我国为了保障制造业 供应链，针对制造业进行了大规模的刺激，2021 年由于海外需求好转、供应链 短缺，我国出口增速回暖，叠加 10 年左右的机床设备更换周期，在 2020 年基 数较低的情况下，2021 年的金属加工机床迎来高景气度。

我们认为，2023 年金属加工机床的需求仍然处于两个长、短周期的底部向上拐 点的过程。随着国内各项针对房地产、制造业的保供、保链的政策刺激落地，以 及疫情恢复常态化管理，国内制造业需求、盈利情况将逐步好转。从信贷脉冲指 数可以看到，事实上在 2021 年底后我国的信贷金融周期是处于持续的上行周期， 但 2022 年由于疫情影响国内需求预期较差，因此工业企业利润、机床需求和信 贷金融周期的指标发生了背离，但该背离随着负面因素的消除，在 2023 年我们 预计金属加工机床的需求将迎来长周期（设备更换周期）、短周期（信贷周期刺 激需求好转）的双周期拐点。

2.3、升级周期：制造业升级，高端机床市场空间

数控机床下游主要应用非常广泛，民用领域包括汽车、工程机械、通用设备、模 具、刀具等重点领域，军用领域包括航空航天、兵器、舰船、核等领域。以航空 装备、通用设备汽轮机为例，我国高端制造业正处于产业升级的大周期之中。未 来随着新能源汽车、航空航天、国防军工、智能穿戴设备等数控机床下游行业的 兴起，我国数控机床产业发展将受益于制造业升级周期上行。

2.3.1、汽车：新能源汽车扩产推动需求

汽车领域是机床的主要需求来源，伴随新能源汽车的发展未来有望打开机床市 场需求空间。据 VDW 数据，2021 年德国机床市场下游应用领域中汽车/机械制 造/金属加工/航空航天领域占比分别为 42.6%/23.7%/11.9%/6.7%。德国市场中 德机床下游汽车行业应用领域占比最高，是机床主要需求来源。未来伴随汽车行 业向新能源化发展的发展趋势，新能源汽车将快速增长，机床行业有望迎来更大 需求扩张。我们预计 2022-2025 年，中国乘用车数量有望从 2350 万辆增长至 2526 万辆，其中新能源乘用车占比有望从 29.23%增长至 36.17%。据前文分析， 发达国家德国机床市场已高端为主；发展中国家中国机床市场以中低端为主；随 着中国发达程度的提升，未来机械制造、金属加工领域或将对机床产生更多需求， 有望助推中国高端机床行业规模增长。

2.3.2、航空装备：C919国产化带动高端机床需求

预计未来航空工业发展加速，产业格局面临新的变化。随着干线飞机、支线飞机、 通用飞机等国产飞机的份额比例提升，航空产业重点工程建设将进一步加快。过 去由于国产制造装备落后，航空制造企业主要依赖进口制造装备，在诸多方面受 到了西方国家的限制。根据我国航空产业的发展趋势和生产需要，制造装备水平 需要进一步提升，航空领域关键制造装备要适应新一代航空产品的新材料、新结 构和新工艺发展。

2.3.3、燃气轮机：我国燃气轮机市场规模不断扩张

燃气轮机是国家安全和国民经济发展的高技术核心装备，需求结构的转型有望 驱动市场持续稳步发展。燃气轮机广泛应用于发电、船舰和机车动力、管道增压 等能源、国防、交通领域，是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备。 未来随着传统能源向新能源转型的发展，燃气轮机的技术需求会逐渐向新型能源 和绿色能源靠近，伴随技术上向更高产品质量、更大单机容量、更高转速销量的 发展，未来燃气轮机市场有望持续稳步发展。

燃气轮机的市场规模有望不断扩张，伴随国家未来持续主张实现制造业的自主 可控，市场竞争格局有望逐渐重塑，国产机床企业有望获得充分发展机会。武 重集团研制的五轴立式铣车机床，用于船用燃气轮机机匣的加工，打破了国外卡 脖子，国产机床开始逐步取代进口产品市场。据 Statista 及前瞻经济学人统计预 测，2020-2026E 全球燃气轮机行业规模有望从 225.4 亿元增长至 283 亿元，未 来持续带动机床产业发展。

3、国内工业机床市场规模测算的梳理

3.1、金属加工机床市场规模估算：官方数据口径计算

我们可以得出几个结论： 1、2018-2021年国内金属加工机床消费额均值为 1700亿元左右，2021 年为 1800 亿元。该口径为我国本土的金属加工机床总消费金额，即国内金属加工机 床市场需求规模。 2018-2021年国内金属加工机床总体市场的规模的平均值是 2390 亿元（2021 年为测算值，2018-2020为披露值），即本土金属加工机床企业总收入以及进口 规模之和，该口径包括了金属加工机床总需求（本土产值、出口金额）、进口需 求（进口金额）。

2、国内金属切削机床市场总规模约为 1600 亿元、金属成形机床约为 800 亿元。 分子行业来看，2018-2021 年金属切削机床平均规模 1603 亿元、金属成形机床 市场规规模 788 亿元。2022 年前三季度，根据机床协会披露的数据，金属成形 机床由于国内新能源汽车压铸件需求提升导致金属成形机床市场规模提升，前三 季度重点联系企业的金属成形机床同比收入增速为 25.9%，金属切削机床同比 下降 5.9%。 3、国产金属加工机床和进口的价差仍然在一倍左右，但价差在缩窄。2021 年 国产加工机床均价 26.6 万元、进口金属加工机床均价为 54 万元。从 2018 年以 来，整体进口和国产金属加工机床的价差在缩窄，从 2019 年 64 万元缩窄到 27.4 万元。从国产价格结构来看，金属成形机床均价 36 万元高于金属切削机床 23.4 万元。

4、数控系统存在国产替代增量空间，数控系统进口市场 100 亿元左右。我们缺 乏国内的细分的数控系统的营业收入，但海关披露了我国的数控系统进口金额数 据，按当年平均美元兑人民币汇率计算，2021 年数控系统进口金额为 86 亿元， 在行业整体景气度较高的情况下，数控系统的进口金额（元）仍然下滑 15.91%、 美元计价下滑 10.07%，从侧面证明国产替代正在进行时。

3.2、中高端市场测算的思路：根据进口的金额来估算

测算逻辑：其一，从均价来看，进口机床的均价高于国产机床 1 倍左右，品牌结 构更加高端。其二，德国、日本、瑞典等地区的机床品牌均为老牌机床，整体产 品技术、参数领先国产品牌。因此我们可以用从德国、日本、中国台湾省等地区 进口的金额来大致推算国内高端金属加工机床的市场空间。从机床进口金额来看，2021 年海外、中国台湾省的进口金额在 400-500 亿元之 间，国产高端金属加工机床的进口替代空间广阔

3.3、2021年五轴数控机床的国内市场规模超过100亿元

五轴数控机床市场有望稳步增长，预计中国市场增速快于全球。据秦川机床公 告、QYResearch 的数据预计，2021 年全球五轴数控机床市场容量为 74.75 亿 美元，预计 2025 年市场容量将进一步提升至 114.12 亿美元。其中国内 2021 年 五轴市场空间约百亿元人民币，2025 年有望达到 186.83 亿元人民币。根据机床 工具工业协会数据，2021 年中国金属加工机床进口额 74.6 亿美元，其中加工中 心进口额 26.36 亿美元，占比 35.7%，假设 60%加工中心进口金额为五轴机床 ，对应市场空间 15.95 亿美元，折合人民币 103.09 亿元，全球占比 21.38%。基于 QYResearch 预测全球市场数据，考虑 国内市场一方面受高端制造业占比提升驱动五轴机床需求将不断提升，一方面国 内企业入局加速降本推动五轴机床替代三轴机床提升渗透率，假设 2025 年中国 市场占全球比重达到 25.38%，国内市场空间将在 2025 年达到 186.83 亿元人民 币。

4、产业链：应用场景的增加将推动技术迭代

4.1、数控机床：五轴联动机床

数控机床产业链包括上游零部件及原材料供应、中游数控机床制造、下游市场 应用。（1）数控机床上游核心部件包括数控系统、电气元件、功能部件、机床主 体零部件等，据华经情报网，2020 年中国数控市场中发那科、西门子、三菱合 计占据 65%的市场份额，国产厂商广州数控凭借在中低端车床数控系统领域的 拓展跻身国内市场前列，并且高档数控机床的数控系统价值成本占比达 20%-40%，目前主要依赖国外进口；（2）中游是数控机床行业，以金属切削机床、特种加工机床、成形机床为主；（3）下游主要应用于国防军工、石油化工、 汽车产业、机械行业等工业制造领域。

五轴联动机床的原理：XYZ 三轴增加了任意两个旋转轴。五轴数 控机床由 3 个线性轴（X、Y、Z 轴）和 2 个旋转轴（A、B、C 任意两个旋转轴） 构成，其中绕 X、Y、Z 的旋转轴分别为为 A、B、C 轴。相对于传统三轴机床， 五轴联动机床增加了 A、B、C 中任意两个自由度。常见的五轴机床可以根据旋 转轴的不同分为 3 类，见表格 8，可以分为双转台（摇篮式）、双转头（摆头式）、 一转头一转台。摇篮式适用于轻型零件，主轴只做直线轴运动，结构简单可靠， 主轴刚性和精度也会更好。

五轴加工中心是汽车、航空、精密仪器加工关键部件最重要的加工设备。作为 应用范围最广的数控机床技术，五轴联动加工中心在加工方面有不可替代的优点。 根据《基于五轴与 CNC 加工中心联机控制系统及控制方法》（王建翎，2022） 五轴联动数控技术在三轴的基础上加了两个方向的螺旋轴，对一些复杂工件需要 进行曲面加工，三轴在操作工件时不能一次装夹，很难实现平滑曲面的加工，而 旋转五轴可以通过一次装夹实现高精度、高效率的复合加工，工序集中度高，能 保证每个表面位置的加工精度。对于一些定制化的大型钢件，按照传统工艺从锻 件到成品大概需要 2 个月左右，但使用旋转五轴复合加工机的话仅需要一道工序 即可成形，时间可以缩短一半。五轴联动机床可以适用于航空航天、军工、船舶、 汽车等领域，适合加工汽轮机、燃气轮机、航空发动机各种叶片以及窄长型特殊 型面的零件。

五轴联动机床的战略意义：国家安全。根据《我国数控机床六十年》（任国梁， 2022）高档数控机床一直是我国装备制造业的关键，国外长期以来对我国高档 数控机床施行严格的技术封锁和禁运。1949 年美国提议成立的“巴黎统筹委员 会”严格限制向中国、苏联等国家出口战略物资和高技术，苏联解体后“巴统组 织”解散。1996 年 7 月，33 个国家签署了《瓦森纳协定》，实施了新的控制清 单和信息交换规则，将中国排除在外，美国一贯采取了排斥、孤立中国的方针。 近几年我国国产五轴高端机床突破，国外品牌对我国工业和民用领域有所“松动”， 但进入我国的高档数控机床，要么功能限制，要么性能降低，同时还配置 GPS 系统，设备移动超过 10 米就会自动停机，在数控机床内还配置有“后门”。

国在数控机床上的研究已经有几十年的发展，通过引进、消化和吸收，初步型成 了一定规模的数控产业。但是五轴联动机床市占率不到 5%，绝大部分依赖于进 口。目前在我国航空、航天、国防军工、能源、交通运输等核心领域使用的高档 数控机床有 95%以上是通过各种渠道从国外引进的。在战争等特殊时期，完全 有可能通过 GPS 系统“人为”将国外进口的高档数控机床进行停机。一旦出现 这种情况，我国高端制造业很可能进入瘫痪状态。 五轴联动数控机床是高档机床，民族品牌、本土企业纷纷布局。五轴联动数控 机床加工范围广、加工精度质量高、工作效率高效，属于高档机床。第二梯队的 本土企业包括北京精雕、科德数控、海天精工、国盛智科等企业已纷纷布局。

4.2、数控系统：工业母机的“大脑”

数控系统是数控机床的大脑、核心。数控系统是数控机床的功能实现的关键，构 成包括 CNC 装置、伺服驱动系统等，数控系统通过控制信息参数输入等协作实 现。工业机床电器属于“强电”范畴，数控系统属于“弱电”范畴。数控系统相 当于人的大脑，机床电器是执行系统。数控系统是数控机床的大脑，数控机床的 性能和功能除了机床本身的设计和制造品质以外，还取决于数控系统的性能和功 能，五轴联动数控机床更是如此。2008 年附近，我国陆续推出的五轴联动机床 基本上采用的都是西门子 840D 数控系统，其中大部分功能都是经过裁剪的，即 便这样 840D 数控系统的五轴联动机床的用户也要接受定向使用而受到限制。

高端数控系统的难点、痛点、差距在哪里？根据《中外高端数控系统差距分析及 对策》（郭远东等，2022）国外高档数控系统具备高速程序预处理技术、多通道 多轴联动控制技术、多通道及复合加工控制技术、纳米级高精度插补技术、样条 插补技术、空间刀补、机床几何误差补偿、热变型补偿、动态误差补偿和智能故 障诊断技术、双轴同步驱动技术、旋转刀具中心编程（RTCP）技术等。国内的 华中数控、大连广洋、广州数控也具备以上部分功能，但不完备、不完善。

高档数控系统最难的技术：插补运算。高档数控系统一个标志性技术是旋转刀 具中心编程（RTCP）功能。即以工件坐标系下离散刀位点直接插补和工具坐标 系下等距双 NURBS 曲线插补方法实现旋转刀具中心编程（RTCP）。具有旋转 刀具中心 RTCP 编程的五轴联动数控系统一直是数控系统竞争的焦点，随着汽 车、航天工业的发展，零件轮廓曲面越来越复杂，因此拥有样条曲线插补功能已 成为是否是高档数控的标志。该功能需要采用现代控制理论中的状态空间技术和 矩阵运算数学工具分析和解决五轴及以上加工对运动空间内刀具任意姿态的刀 具补偿。该功能技术含量较高，要求研发人员能够熟练应用机床动力学及运动学 知识。国外高档系统该技术经过多年迭代，早已成熟，国内部分厂家的高档产品 已经具备该功能，但仍需要逐步完善，提高普适性。

和国外品牌的数控系统另一个差距是可靠性和寿命。国外高档系统的平均无故 障运行时间可达 30000 小时，使用寿命也远大于配套的机床本体，可达 10 年之 久，国内一般在 10000 小时左右，硬件本体质保在３年。因为国内数控系统主 要与中低端机床配套，使用环境恶劣，因此硬件本体寿命较短。造成国内系统与 国外高端系统相比，可靠性较低的主要原因是软件的容错性及智能化较低。国外 系统软件经过多年多种现场应用的反馈修改积累、迭代，健壮性已经大大增强， 几乎可以兼容任何工况，国内系统软件主要是为了通用机床设计开发，专用场合 应用较少，由于国内使用时间较短，因此反馈迭代问题不足以应对各种各样的工 作现场。

国产华中 8 型高性能数控系统在国内领先。华中 8 型高性能数控系统攻克了高 速高精运动控制、现场总线、多轴联动、多轴同步控制、三维加工仿真与防碰撞、 机床误差补偿、机床快速调试工具、高性能伺服驱动系统控制和大功率伺服控制 技术等关键核心技术，成功研制出具有自主知识产权的系列化华中 8 型高性能数 控装置、伺服驱动和伺服电机成套产品。根据《华中 8 型数控系统的研发与应用》 （武汉华中数控股份有限公司，2021）目前，华中 8 型数控系统已与 10 多类约 2000 台高端数控机床实现了配套应用，其中包括:高速/精密车削中心、高速/精 密立加、车铣复合、高速/精密卧加、五轴联动加工中心、六轴砂带磨等高端数 控机床，满足国内高速、高精、大型、重型、复合、生产线等高端数控装备的配 套需求。所配套产品的企业包括秦川机床集团、四川普什宁江机床有限公司、北 京工研精机、武汉重型机床集团、北京第一机床厂、北京第二机床厂、宝鸡机床 集团、深圳创世纪公司、东风设备制造有限公司、上海拓璞数控科技有限公司、 上海机床厂有限公司、苏州信能精密机械有限公司等。

华中 8 型高端型数控系统全面进入汽车制造、能源装备、船舶制造、机床工具、 模具、3C 等领域的主战场，累计销售 10 万多台套，在 2000 多家企业批量应用。 特别是 2015 年以来，华中数控针对 3C 制造行业的大量需求，研制并批量销售 了具有高速高精（进给快移速度达 60m/min，进给加速度达 1G）、高速主轴控 制（24000r/min）等关键技术的高速钻攻中心数控系统，其加工效率优于同类产 品，并且建立了多个 3C 加工智能工厂。

华中 9 型数控系统是华中数控股份有限公司推出的新一代智能数控系统。它具 有自主感知、自主学习的能力，能够提高机床的效率和质量。华中 9 型数控系 统深度融合大数据与人工智能技术，打造“端-边-云”的智能体系架构，形成三 个平台：集成 AI 芯片的智能硬件平台、支持 AI 算法的智能软件平台、构建智能 APP 生态的开放平台，实现“1-3”的体系创新。根据华中数控陈吉红董事长指 出：当前的智能数控系统多是实现了一些简单的感知、分析、反馈、控制，远没 有达到替代人类脑力劳动的水平。而华中 9 型数控系统做到了“机床+互联网” 的有机结合，同时具备自主感知、自主学习的能力，从而达到提高效率、质量的 目的。

安全自主可控带来数控系统国产化的广阔市场机遇。如前文所论述的，我国已 经认识到“高档数控机床高度依赖国外对我国家安全造成重大隐患”，国家迅速 决定用于军工生产的进口高档数控机床必须尽快换脑，用国产的高档数控系统替 代。2017 年 1 月国家重大科技专项 04 专项决定列入重大项目“换脑工程”，即 国防军工领域用国产数控系统批量置换进口数控系统，以大幅提升国防军工领域 制造装备自主可控能力和安全水平。

华中数控、广州数控、大连光洋、沈阳高精 和航天数控等企业自主研发高档数控系统参与了“换脑工程”的替换工作。按照 军工企业数控机床“换脑工程”的调研报告，几千台数控机床需要更换国产数控 系统，被替换的国外品牌有：西门子系统、发那科系统、海德汉系统、哈斯系统 等品牌。实施“换脑工程”后，国防军工行业就有了技术自主可控、信息确保安 全的机会。我们认为，在“二十大”会议后，安全进一步提升为国家发展战略要 求，高端数控系统从军工领域向高端制造业的替代成为历史必然。

中国本土数控机床逐渐实现自主可控，而高档产品仍有较大的国产替代空间， 并且与日本相比数控化率存在上升空间。在国产替代的进程上，据前瞻经济学人 数据 2018 年中国数控机床低档/中档/高档国产化率分别为 82%/65%/6%，高档 产品仍有较大的国产替代空间。在数控化率方面，据前瞻经济学人数据， 2015-2020 年中国金属切削机床产量数控化率从 31.15%增长至 43.27%；而根 据日本机床工业协会数据，自 2011 年以来日本机床的数控化率基本稳定在 98% 左右，与日本相比中国机床数控化率存在上升空间。

4.3、电主轴：皇冠顶端的宝石

主轴是数控机床加工的核心元件。主轴的作用是带动刀（磨）具（钻削/铣削/磨 削）或工件（车削）按给定速度旋转，并传递切削加工所需的功率和扭矩，使刀 （磨）具在工件上实现材料去除。数控机床主轴的发展过程中出现了非调速的交 流电动机经主轴箱传动的机械式主轴、电动机与主轴一体化的电主轴、高速电主 轴、高刚性大扭矩高速电主轴和智能式主轴等。高速电主轴，即内装式电机主轴单元。在机床主轴单元内安装主轴电机，对主轴 起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。传统的数控机床上的主轴 运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置， 诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被型象地称为分离式和直 联式主轴。

高速电主轴的优点是什么？高速电主轴相比“机械主轴”的优点如下：（1）没 有变速和传动装置，结构简单、紧凑，能够高效率运行而且精度很高，噪音小、 振动小。（2）额定转速内，电主轴可以实现无级变速，对不同工况、负载变化适 应性较好。（3）可以按照控制命令灵活控制运行速度、输出扭矩。（4）可以高 速运行，具有较好稳定性，动态精度高，加工速度和精密度都更高。（5）由于不 需要传动环节，主轴不需要承载外来冲击，精度寿命延长。（6）电主轴使得电机 和主轴成为一个整体、一个单元，电主轴可以系列化生产、型成规模，方便机床 模块化发展。

高速电主轴中的主轴轴承仍然存在差距。受加工设备、制造工艺以及相关技术的 限制，我国机床轴承行业整体水平与外国先进水平存在比较大的差异。目前，国 内能够批量生产、配套生产精密机床轴承的生产厂家只有少数企业。虽然国外精密机床轴承产品性能优良、可靠性高，但存在价格昂贵、交货期长的问题，且国 外供应商可能会采取限制供应等措施，严重阻碍了我国重大装备制造业的发展， 并影响我国经济的运行和国家的安全。同时，受国内高端数控机床行业发展整体 的影响，目前高档数控机床主轴轴承的市场亦主要被国外轴承生产企业所占有， 国内只有少数轴承企业研制开发了部分产品，但是依然难以在核心高档数控机床 中应用与实践。

编辑：999感冒灵