机床行业系列专题（四）：刀具——通用耗材的基础概念

刀具：直接影响制造业水平的“工业牙齿”。刀具行业是机械制造行业和重大技术领域的基础支撑性行业，约占整个机械加工工作量的90%，在汽车、航空航天、能源、军事、模具等现代机械制造领域发挥着重要作用。刀具一般可分为工具系统、刀体、切削耗材三部分：（1）工具系统：与机床主轴及刀体相连，将机床主轴的回转精度、转动扭矩传递给被加工工件；（2）刀体：与工具系统联接并承载切削耗材，用于实现不同切削工艺的装置；（3）切削耗材：直接与被加工工件发生相互作用的数控刀片、整体式合金刀具。虽然刀具成本仅占机械加工制造成本的1%-4%，但其作为耗材在执行过程中极为关键，直接影响到加工结果。 产业链：金属原材为主要上游，下游应用领域广泛且分散。上游配套企业为上游原材料，是影响刀具生产成本的重中之重，碳化钨粉是硬质合金数控刀片最主要的原材料，我国作为钨业大国具备先天优势；中游是指各类刀具的设计制造生产企业，其全球市场规模接近400亿美元，2022年我国刀具市场消费总规模464亿元；下游为制造业企业，目前全球市场和国内市场需求端还存在着结构化差异，随着汽车电动化浪潮以及航空航天领域的推进拉动加工需求，高端硬质合金刀具、超硬刀具有望持续增长。 分类：硬质合金数控刀具是主流，超硬刀具有望得到成长。材料是刀具的基础，对刀具的切削性能具有至关重要的作用。硬质合金刀具产品稳定占据主流，综合占比63.08%。未来我国刀具材料会向更高生产率和更高切削速度发展，改善现有刀具的切削性能，超硬刀具或将迎来发展空间。 “上游原材料+中游高研发壁垒+下游销售渠道”。上游原材料的稀缺性仍不可忽视，占据稀缺资源的企业存在竞争优势。国内中钨高新、厦门钨业等公司，以其资源禀赋带动硬质合金切削刀具的发展。 中游长期保持高研发投入，筑造行业准入技术壁垒。下游销售渠道需转变，提升直销比例与大客户共研共赢。直销渠道的开拓发展，也有利于树立品牌效应，增强客户粘性。 国内制造业回暖先于海外，迎来国产替代好时机。国内9月制造业PMI已升回扩张区间，先于欧洲等市场。海外经济复苏缓慢，我国刀具进口规模逐年下降，贸易顺差不断扩大。原本国内市场主要被海外知名品牌所主导，而如今进口不景气，国内需求方自然会面临难进货、进货贵的问题，国产替代成必然之势。主要原因一是刀具产品本身就是切削耗材，替代转换的周期及成本可控；二是国际贸易摩擦等情况导致自主可控需求不断提升；三是国内厂商在产品性价比方面极具优势。 风险提示： 硬质合金刀具市场竞争加剧风险；下游直销渠道拓展不达预期风险；国内制造业复苏不及预期风险。 1刀具行业概况 1.1刀具：直接影响制造业水平的“工业牙齿” 刀具行业是机械制造行业和重大技术领域的基础支撑性行业。切削加工属于机械加工中的精加工处理环节，一般指用手持刀具或机床刀具从金属零件上切削多余材料的过程，约占整个机械加工工作量的90%，刀具技术在汽车、航空航天、能源、军事、模具等现代机械制造领域发挥着重要作用。 图表1：刀具示意图（以普通车削刀具为例） 刀具一般可分为工具系统、刀体、切削耗材三部分。从整个数控刀具的宏观维度来进行分类，大致可分为工具系统、刀体、切削耗材，每一类工具的具体功能如下： （1）工具系统：一端与机床主轴联接，另一端与刀体或整体式刀具联接，将机床主轴的回转精度、转动扭矩传递给被加工工件的装置。工具系统设计制造的优劣直接决定了数控机床的加工性能能否有效、精准、稳定、持久地向被加工工件传递； （2）刀体：刀体一端与工具系统联接，另一端承载切削耗材，用于实现不同切削工艺的装置。通过不同的刀体结构设计，才能实现车、铣、镗、钻、磨等不同种类的加工工艺。刀体的结构设计和制造水平，一是直接决定了能否将特定加工工艺通过切削耗材作用于被加工工件的某个位置，即该工件能否被顺利制造； 二是直接决定了在某一工件上完成某种加工工艺所需的有效功率，即决定了加工效率；三是在较大程度上决定了加工精度和精度维持能力，即该工件的精密程度。 由于不同的被加工工件，因其形状、结构、材质、复杂程度各不相同，在不同工件的不同加工位置上实现同一种类的加工工艺所需的刀体结构存在较大差异；同时，完成一个工件的加工，往往需要不同种类加工工艺的相互配合，进而需要设计不同结构的刀体，以满足加工需求；随着被加工工件种类的增加，所需要设计的刀体结构数量将呈现几何增长。刀体结构需要持续不断地优化迭代，从而在保证加工精度的同时，实现更高的加工效率； （3）切削耗材：直接与被加工工件发生相互作用的部分，主要包括不同类型的数控刀片、整体式合金刀具。通常，数控刀片以不同的压紧方式安装在刀体上，而整体式刀具根据被加工工件所需要的加工工艺不同，既可以安装在刀体上，也可直接与工具系统联接。 虽然刀具成本仅占机械加工制造成本的1%-4%，但其作为耗材在执行过程中极为关键，直接影响到加工结果。根据《第五届切削刀具用户调查分析报告》（韩景春等。下文简称“第五届调查报告”）显示，31.60%的受调查制造企业刀具费用占生产成本的比例为2%-3%，20.60%的企业刀具费用占生产成本的比例为3%-4%，10.30%的企业刀具费用占生产成本的比例为4%-5%，占比1%-2%的调查对象为16.90%，占比1%以下的调查对象为5.10%。综合来看我国刀具成本占比低于发达制造业国家企业的平均刀具成本占比。在生产中，刀具属于消耗品，制造业企业每年都会花费不小的费用采购刀具，而高效先进刀具能够明显提高加工效率，使生产成本降低10%-15%。刀具的质量直接决定了机械制造行业的生产水平，更是制造业提高生产效率和产品质量的最重要因素。 1.2产业链：金属原材为主要上游，下游应用领域广泛且分散 图表2：刀具行业产业链 刀具上游配套企业是指与刀具设计制造相关的刀具材料供应及其他配套企业，主要进行材料的性能研究、现代刀具材料研制、刀具制造装备研制等。包括： ①原材料生产行业（高速钢、高性能高速钢行业，碳化钨、钴粉等粉末冶金行业，以及金刚石、立方氮化硼等超硬材料行业）；②涂层设备制造技术开发行业；③刀具制造专用设备和测量仪器制造行业。 上游原材料是影响刀具生产成本的重中之重。根据华锐精密招股书数据，其硬质合金数控刀片产品的直接材料占主营业务成本的比例为45.40%，占比水平较高，而其中主要原材料为碳化钨粉、钴粉和钽铌固溶体，三者合计约占直接材料的93%左右。 碳化钨粉是硬质合金数控刀片最主要的原材料，我国作为钨业大国具备先天优势。根据美国地质局（USGS）发布的全球钨产/储量数据，2022年全球钨产量约8.4万吨，其中中国约7.1万吨，占全球总产量的84.52%，全球钨储量约380万吨，中国钨储量约180万吨，占全球总储量的47.37%。由此可见，中国是世界上最大的钨储量和生产的国家。观察近几年国内的碳化钨价格趋势，主要受到国内经济状况和工业活动的影响。 图表3：2017-2023年中国国产/出口碳化钨粉价格走势图 刀具设计制造企业是指各类刀具的设计制造生产企业，主要进行刀具专用数字化设计、刀具制造技术与装备、刀具辅助设备制造等，其全球市场规模接近400亿美元。我国数控刀具产业经过多年发展，已经逐步在刀片等切削耗材领域涌现出包括株洲钻石、厦门金鹭、欧科亿、华锐精密等在内的一批优秀企业，其技术能力已开始逐渐接近国际水准，而在高端刀柄、刀体领域则明显落后，这在较大程度上制约了我国机械加工领域的整体技术水平。目前，我国设计制造水平发展不平衡、不充分问题较为突出，整体与西方发达国家还存在着较大差距。 图表4：全球刀具行业企业梯队情况 2022年我国刀具市场消费总规模464亿元，同比下降2.7%。其中：国产刀具约338亿元，占比72.8%，同比下降0.3%，在国内市场的占有率同比增加1.8%； 进口刀具（含国外品牌在华生产并销售）126亿元，占比27.2%，同比下降8.7%。 一定程度上说明我国数控刀具的自给能力在逐步增强，进口替代速度加快。 图表5：2005-2022年中国刀具市场规模变化 刀具下游制造业企业是应用各类刀具（铣刀、车刀、孔加工刀具、齿轮加工刀具等）通过各种加工设备将原材料加工为零件或产品的企业。全球切削刀具按制造业板块的销售去向统计，通用机械占35%，汽车行业占34%，航空航天占12%，模具行业占4%，其它占15%。我国刀具市场的下游情况，根据第五届调查报告，来自传统汽摩、通用机械、机床工具、航空航天、工程机械和新能源汽车的需求较多，占比分别为20.83%、14.08%、12.39%、9.91%、9.35%、6.64%，此外还有来自模具、轨道交通、医疗器械、农业机械、发电设备及3C领域代表，共计占比96.17%。下游应用领域广泛且较为分散，使得刀具行业基本不会受到需求端行业周期波动的影响。目前全球市场和国内市场需求端还存在着结构化差异，随着汽车电动化浪潮以及航空航天领域的推进拉动加工需求，高端硬质合金刀具、超硬刀具有望持续增长。 图表6：2023年中国刀具市场下游行业分布 1.3分类：硬质合金数控刀具是主流，超硬刀具有望得到成长 材料是刀具的基础，对刀具的切削性能具有至关重要的作用。刀具材料的性能指标会对其加工性能、加工能力和加工质量产生直接作用。刀具材料种类很多，有高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。随着新的工程材料不断出现，加工中对刀具材料的要求也不断提高，在进行切削加工时，需要综合考虑材料硬度、韧性、耐热性、耐磨性、工艺加工性及经济性等方面，合理选择刀具材料。 图表7：各类刀具材料的特点、应用领域及行业主要生产企业 硬质合金刀具产品稳定占据主流逾六成。目前硬质合金刀具产品占据大部分市场，综合占比63.08%。此类材料刀具在不同行业、不同规模企业之间的应用占比有较大差别，有些行业或者企业其占比可以达到90%以上，但是也存在一些企业，此类材料刀具的使用量非常低。排名第二的是高速钢，占比20%，虽然目前很多企业已经较少使用高速钢刀具，但在一些非数控机床上仍有较大用量。立方氮化硼占比7.15%，金刚石占比5.6%，此两者为超硬刀具的主要材料。陶瓷刀具占比4.17%。 从趋势角度分析，硬质合金材料刀具凭借其高硬度、高抗弯强度和韧性、高耐磨性以及高性价比等诸多优势，使用量逐年递增，而且随着机床行业的转型升级，数控机床使用量的提升，其需求还将继续增长；高速钢呈现明显的逐年下降趋势，主要系多年来制造业企业转型升级，数控机床不断替代普通机床；立方氮化硼刀具和金刚石刀具的市场占有率呈现上涨的趋势；陶瓷刀具的变化趋势不明显，而且其市场占有率最低。未来我国刀具材料会向更高生产率和更高切削速度发展，改善现有刀具的切削性能，超硬刀具或将迎来发展空间。 图表8：第三届（2014）至第五届（2023）刀具材料变化趋势 2刀具行业企业未来发展机遇 2.1“上游原材料+中游高研发壁垒+下游销售渠道” 上游原材料的稀缺性仍不可忽视，占据稀缺资源的企业存在竞争优势。以硬质合金刀具为例，其主要原材料钨是一种重要的战略金属，熔点高、密度高、硬度高、耐腐蚀性强、化学性质稳定。钨在实际应用中以各类合金及合金深加工产品为主，需求范围广，在汽车、新能源、电子、制造业等领域都发挥了关键作用。 尽管我国是全球最大的钨生产国和消费国，但仍然无法忽视钨储量极少的事实，地壳中含量仅约0.001%。此前我国为了整治过度开采、钨资源消耗速度过快的问题，实行了配额制度，对开采量进行严格约束，同时还向朝鲜、缅甸等国家少量进口钨矿以调配。所以，我国是全球钨业大国与国内碳化钨原材料可能出现的短缺并不矛盾。 国内中钨高新、厦门钨业等公司，以其资源禀赋带动硬质合金切削刀具的发展。中钨高新主要经营业务为硬质合金、切削刀片及刀具、化合物及粉末等，其子公司株洲钻石硬质合金业务脱胎于原本的湖南冶炼厂，凭借自身竞争优势和长足的技术经验积累，已经成为国内规模最大的刀具整体服务解决方案供应商。 2023H1中钨高新硬质合金产品占国内25%以上份额，硬质合金产量全