机床铸件模具(模具行业专题研究：大型一体压铸的技术核心)

Posted 2023-05-29

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机床铸件模具(模具行业专题研究：大型一体压铸的技术核心)

1.1 模具为“工业之母”，制造业带动行业稳健增长

模具为强迫金属或非金属成型的工具，是工业生产中必不可少的工艺装备。模具生产得到的零部件具有高效率、高一致性、低耗能耗材、精度/复杂度较高的特点。模具行业为技术密集型产业，原材料主要为钢材、塑料等大宗商品。模具所用的钢材成为模具钢，模具钢的种类较多，模具根据设计产品所需特性来选择模具钢的种类：比如制造强度高的运动件齿轮、轴等需要用中碳调质钢，比如精密冷冲压模具需要用高强韧性冷作模具钢。数控加工机床也就是自动化机床，是模具的配套部件，通过设计加工程序来控制模具和其他部件的配合，从而生产出成品零部件。

制造业带动模具行业资本开支稳健增长，模具行业产值与销售收入随之逐步增长。模具作为“工业之母”，下游广泛应用于机械、电子、汽车、信息、航空等制造业，模具工业的高速发展可给予制造业强有力的支撑，模具工业的产业带动比例大约是 1:100，即模具产业发展 1 亿元，可带动相关产业发展 100 亿元。我国作为制造业大国，制造业是我国经济增长的主要拉动力量，制造业 GDP 同比增速稳定在 30%左右。2017 年我国的模具制造资本开支为1043亿，同比增速为11%，模具设备工器具资本开支为474亿，同比增速为10%。2019 年我国模具总产值为 2900 亿，同比增速为 4%，模具行业销售收入为 2608 亿，同比增速为 2%。

1.2 铝合金加工大势所趋，带动铸造模具需求增长

不同类型的模具配套不同的零部件加工工艺。按照加工工艺和加工对象来分，模具可以主要分为冲压模具、塑料模具、铸造模具、锻压模具和橡胶模具这五大类。其中，冲压模具对应冲压工艺，应用于汽车覆盖件、结构件；塑料模具对应热固性和热塑性塑料加工，主要用于汽车内饰、家电产品；铸造模具对应铸造工艺，应用于汽车发动机、变速箱等复杂零部件的加工；锻压模具对应锻造工艺，用于齿轮、轴承等生产；橡胶模具对应橡胶压制成型工艺，应用于轮胎生产。

新能源汽车轻量化为大势所趋，带动铝合金行业持续增长。2020 年汽车工业协会发布《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，其中政策对纯电动乘用车的要求最高，要求2025、2030、 2035年纯电动乘用车整车轻量化系数降低 15%、25%、35%。汽车轻量化材料中铝合金密度小，价格较低，是作为汽车轻量化比较有性价比的替代材料。我们根据汽车销量、单车用铝量以及汽车铝材价格相关假设，测算得到汽车铝材总规模从 2021 年的 1870 亿元增长至 2030 年的 3292 亿元，年复合增速为 10%，其中纯电动新能源汽车铝材 2030 年市场规模为 2033 亿。

铸造是最主要的汽车铝加工工艺，铝加工有望带动压铸模具需求增长。根据《铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望》的统计数据，2017 年我国铸造铝合金约占汽车铝合金市场份额的 77%，锻造、轧制、挤压等加工工艺占比分别为 3%、10%、10%。汽车轻量化改革带动的铝合金材料的边际增加，带动了铸造模具的边际增加。

2.1 压铸岛、压铸机、模具是压铸过程的主要部件

压铸过程所需装备主要包括压铸岛、压铸机、模具三大部分。铸造是最为广泛的铝加工工艺，可以分为重力铸造、低压铸造、高压铸造等。压铸工艺所需装备可以分为三个部分：压铸岛、压铸机、模具。压铸岛是压铸的场所，核心是智能化、自动化。压铸岛是压铸机运行、铝合金浆料浇注、机器人取件、成品检测等步骤的场所。压铸流程为：压铸机合模→熔融合金浇注→压铸机压射浆料并保压凝固→取出产品进行质量检测→后续加工与检测。压铸岛的核心是智能化、自动化，利用智能集成系统控制压铸机、机器人流畅地完成上述任务。

压铸机是决定产品性能的核心设备。压铸机主要功能是完成锁模→开模→压射浆料进模具 →保压成型→开模这些过程。压铸机的核心的部位为合模机构，在运行期间合模机构的各个零件之间的相对位置不断变化，合模机构需要在满足产品压力要求的同时保证各个零件的材料处于弹性变形范围内。压铸机压力的越大，凝结的铸造件的缩松铸造缺陷越低，出气孔规格越小，因而压铸出的结晶体越细致，细晶层肥厚，压铸件工艺性能越高（抗压强度提高）。

模具是决定零部件的精密程度，支撑零部件强度的关键。模具可以分为成型部分、浇注系统、模架部分、排溢系统、温控系统等部分。成型部分是模具的核心，包括模仁（模芯）与其他结构件，中间构成的空间为型腔，形成压铸件的几何形状，因此模具的设计决定了零部件的形状和精密度；浇注系统是金属液进入型腔的通道；排溢系统用于排除气体及存储金属冷渣及涂料灰烬等；温控系统用于控制压铸模具的温度；模架部分用于连接以及固定定模部分（套板、底座等）。

2.2 模具制造的难度较大，模具具有外部依赖性

压铸模具的制造难点之一在于设计。压铸模具较为复杂，加工成本高，模具的设计难点在于需要考虑热平衡、脱模、进浆料方向等等诸多问题。1）热平衡在模具的生产成本占比较小，但会影响压铸件的凝固、压铸件的质量、压铸节拍等等，是影响模具整体使用寿命的关键因素。热平衡的设计其实是冷却管道的设计，包括冷却管的位置设计、冷却水流速等等；2）进浆料方向影响的是压铸件的质量和原材料的用料，设计不合理的话会造成坯件欠注的问题，从而影响产品良品率；3）型腔内有空气会导致产品成型后良品率不高，一般可以用分型设计利于排出气体，高端精密模具还使用真空铸造的技术，解决空气未排除的问题；4）脱模设计体现在产品成型之后取出环节，设计不合理将会使产品卡在模具无法取出。压铸模具的制造难点之二在于模具原材料的选取。模具内部需要注入熔融浆料，成型之后冷却，过程中型腔与高温金属直接接触，反复经受激冷激热，工况恶劣，因此提高模具寿命是成本控制的关键。除了合理的设计来提升使用寿命之外，模具原材料的选取与创新至关重要。材料端需要较高的高热稳定性、高温强度、耐磨性、韧性、导热性等性能。具体提升使用寿命的方式为 1）去除钢的气体和其他非金属元素，从而提高纯净度，比如将钢的硫元素含量控制在 0.003%以下，模具寿命提升 1.3 倍。2）降低 Mn\\Si\\Cr 等合金元素含量，降低钢的偏析。3）模具具有短板效应，任何一个方向的性能偏低，将影响整体寿命，因此可以提高等向性、均匀性。

随着压铸模具的大型化、精密程度提高，以上难点将随之提升。模具的精密度越高，热平衡设计越复杂，机械加工难度越高，脱模设计考虑因素越多，技术难度越高。模具大型化对应热平衡的范围增大，材料要求比如等向型、均匀性、纯净程度更高。

2.3 模架是模具的核心部件，非标准模架具有更高的附加值

压铸模具发展需要模架配套，模架具有外部依赖性。模具的技术密集性体现在模仁的设计，而模架作为模具的“骨架”，需要配套模具大型化和增加精密度，模具的精密度增加，也会增加配套模架的精密度设计要求。并且在加工过程中，模架承受了加工过程中的所有载荷，所以模架也有结构强度的设计要求。由于压铸模架及压铸模具所涉及的加工有很大差异，压铸模具制造商会选择向压铸模架制造商订购模架，利用双方的生产优势，以提高整体生产质量及效率。模架分为标准模架和非标准模架，非标准模架具有更高附加值。标准模架是指模架制造企业根据客户需要, 采用批量生产的各种规格的模架标准零部件，如模板、导柱、导套等组装的成套模架；非标准模架是在标准模架基础上，根据客户的不同要求，进行深加工或精加工，如加工镶块、滑块、斜顶块、浇注系统、冷却系统、顶出结构和抽芯结构等，达到装上模芯即可进行试模和生产的效果的成套模架。相对而言，非标准模架需要更强的精加工能力和配套服务水平，也具有更高的附加值。模架是模具的主要成本之一，并且需要定期维护。超大型模具的成本结构中，模架成本占比约 40%，并且模架结构和制造精度直接影响模具结构和锻件精度。为了确保模架精度，应定期对模架进行检测和维护，并定期检修（一般应每年检测和维护）。

我们认为模架正向非标准化、复杂化、精密化发展。模具正向大型、精密、复杂方向发展，模架也配套升级：1）非标准化发展。模架制造企业在按计划生产标准模架的基础上，开始提供各种非标准模架的供给，即按要求对标准模架进行深加工和精加工。2010 年非标准模架占全部模架销售额的60-70%，且多为大型、精密模具。随着一体化压铸技术革命推进，我们预计非标准模架占比将继续提升；2）复杂化、精密化发展。随着模具制造专业化分工的深入, 模具制造企业将更多的精加工环节转移到模架制造企业, 因此在标准模架产品上进行精加工的项目日趋增多, 如加工流道孔、拉料杆孔、型芯孔、推杆孔、冷却水孔、斜导柱孔、斜推杆孔等, 安装定位圈、定位器、浇口套、推板导柱、支撑块等。这些复杂的精加工项目对模架制造工艺及其精确性提出更高要求；3）非标准化模架不断提高标准化程度。标准化有利于公司降本增效，随着模架行业的发展，专业化制造的技术不断加深，非标准化模架结构不断模式化、标准化、专业化生产。

大型压铸模架集中度高，大型模架厂商的稳定至关重要。模具厂商一般外采模架，而大型模架格局与模具类似，其中科佳（长兴）模架制造有限公司市场占比超过 80%，超大型模具生产企业广州型腔、赛维达都有向科佳模架公司采购模架。压铸企业为了提高产品质量，减少对外依存度，将逐步打通上游模具制造，进行一体压铸模具开发，比如文灿股份将文灿模具升级成文灿集团铸造研究院，研究模具制造。对于压铸企业，模架仍需要外购，因此在一体压铸放量之后，模架供应商的稳定将成为压铸企业的关键之一。科佳是大型模架龙头企业之一。科佳（长兴）模架制造有限公司是湖州地区第一家专业生产大型模架的企业，现已形成年产 2000余套模具模架的规模。产能方面，目前大型新能源一体压铸模架每月产能可以达到 6-7 套，中小型的压铸模架每月可生产 100 多台套。由于公司的订单饱和，产能不足，公司积极推进扩产项目。客户方面，科佳已与小鹏、蔚来等国内外知名品牌达成长期合作。科佳将进一步开拓与国内及北美、欧洲大型汽车品牌的合作，提高市场占有率及全球范围内的竞争力。

3.1 一体压铸带动原材料、压铸机、压铸岛、模具全方位升级

一体压铸技术趋势明确，新能源车有望进一步降本增效。大型一体化压铸一般指 6000T 以上的压铸技术，一体压铸有利于减少零部件个数，加快生产效率，减轻质量，从而降低生产成本。对于目前采用一体压铸后底板的 Model Y 来说，采用大型一体化压铸技术：1）总重量下降 30%，制造成本下降 40%；2）零件数量较 model 3 减少 79 个，焊接点由 700- 800 个降低至 50 个；3）不需要进行热处理，制造时间由 1-2 小时缩短至 3-5 分钟。压铸成型之后需要热处理提升产品性能。一般压铸过程中，压铸成型之后需要进行热处理步骤，热处理可以提高沉淀硬化铸造和热轧状态合金的强度与硬度，从而弥补普通铝合金硬度低，耐磨性较差，摩擦系数大等劣势。而热处理一般有固溶、时效热处理两种工艺：1）固溶使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并且使合金的韧性和抗腐蚀性能得到提高；2）时效处理又分为自然时效和人工时效，是指使材料在室温或者较高温度下存放较长时间的工艺。

一体压铸有望带动原材料（铝锭）向免热合金升级。热处理过程可以提升产品性能，但也容易使产品变形，从而影响良品率，并且热处理高耗能，会增加生产成本，延长生产周期。免热合金其实本质上是添加其他金属元素使性能较高的铝合金材料，在自身原材料性能满足零部件的需求时，生产端便可以省略热处理环节，从而节省生产时间，解决热处理使产品变形的问题。我们认为一体压铸的趋势将带动原材料向免热合金升级。一体压铸配套大型压铸机和大型厂房，打造行业资金壁垒。压铸机是一体压铸的核心设备之一，零部件的规格越大，对应的压铸机吨位越高，而压铸机的大型化将提升公司的投入资金，一般来说投入产出比约为 1：1.2，即投入 1 亿资金设备可以支撑年收入 1.2 亿。另一方面，压铸岛也需要配套大型化，对应厂房也需要大型化。因此公司切入一体压铸需要大量资金支持，一体压铸行业资金壁垒较高。

模具一般外购，大型化、精密化凸显行业技术壁垒。一般压铸厂商不具备大型压铸模具的设计能力，外部采购解决，而模架作为模具骨架，模具厂商一般外部采购提高质量和效率。模具的热平衡、模仁设计等技术难点随大型化精密化提升，另外大型压铸考虑解决空气排出问题，使用真空压铸的工艺，模具难度进一步提升。模具是一体压铸技术升级的核心之一。大型一体压铸技术配套模具需求大幅上行。我们认为新能源车是最早实现一体压铸的车型，我们做出如下假设测算大型一体压铸模具的需求测算：1）根据 2021 年各大电车企业销售数据预测 2022 年销量，2022-2025 年以每年 30%增速增长，2025-2030 年以 20%增速增长；2）一体压铸车型目前为特斯拉 Model Y，随着造车新势力的跟进，未来一体压铸车型的渗透率不断提升；3）一体压铸零件数可实现的为 4 个，目前特斯拉的一体压铸零部件为后底板，未来有望逐步提升；４）产业处于发展前期，良品率较低，未来不断提升；５）模具寿命假设为８万次．我们测算得到大型压铸模具的需求 2030 年为 1281套，2025年为 448 套，未来随着一体压铸的进程推进，模具的需求大幅上行。

3.2“低端混战，高端缺乏”，大型压铸模具集中度高

铸造模具与压铸吨位相关，大型一体压铸模具供应商集中度高。铸造模具企业可以分为三类：1）模具厂作为整机（车）厂的分厂或车间，定位于汽车集团内部铸造厂，只为本企业配套生产模具，品种较为专一，集中度高。此类配套模具分厂或车间基本能满足本企业模具的自给需要，一般不对外销售，但有时也会把一些难度大、时间紧的模具设计和生产任务安排给专业模具供应商来完成；2）模具厂是面向多个客户的专业化铸造模具企业，主要特点是根据下游市场的需求开展产品研发，承揽各行业所需要的各种铸造模具订单，可适应多个客户对模具的不同需求，设备先进、技术优良、产品类别齐全，产量和品种受客户订单影响较大，竞争力较强；3）规模不大、设计能力、技术水平和装备水平较低的铸造模具企业，以生产中低档铸造模具为主的企业，这类企业一般服务于少数几个客户、生产少数几种特定模具产品。整个模具厂商的竞争格局处于“低端混战，高端缺乏”的阶段，大型一体压铸模具生产企业较少，集中度高，国内中高端模具生产生有赛维达、广东型腔、臻至。旭升股份是汽车零部件企业，但公司模具起家，因此具有设计模具的能力，2022 年 10 月战略投资科佳模架公司后，模具设计能够跟市面上的大型压铸机的吨位进行匹配。

旭升股份：模具起家的铝加工平台型公司，战略合作模架龙头科佳

公司成长可以分为四个阶段，逐步打造铝加工平台型公司。初创阶段（2003-2007）、巩固阶段（2008-2011）、转型发展阶段（2012-2015）、加速扩张阶段（2016 至今）。1）初创阶段和巩固阶段期间，公司的主要业务是铝压铸工业件。公司成立于 2003 年，开始从事模具加工业务，成立初期就为公司的主要客户海天塑机提供注塑机零配件， 2005 年开始为上海艾热性能泵有限公司提供泵头、泵体等产品，并在巩固阶段与这些主要客户建立了长期合作关系。2）转型发展阶段开始，公司进军新能源汽车市场。公司在此阶段逐步转型新能源车铝压铸零部件，2013 年开始与特斯拉合作，逐步成为特斯拉的一级供应商，从个别零件起步，逐步生产变速箱、电池组件等特斯拉的核心零部件，并开始供应装配完毕的油泵等部件。2016 年新能源汽车开始爆发，特斯拉业绩进入高速通道，公司的产能、业绩也随之爆发。目前公司已经成为了汽车精密铝合金零部件龙头之一。

公司汽车类产品覆盖新能源车核心系统。公司目前产品分为三个部分，汽车类、工业类、模具类。汽车类产品覆盖新能源车传动系统、悬挂系统、电气系统、电池系统、液压系统等核心系统零部件。工业类产品包括清洗机配件、电机配件、注塑机配件等。模具类产品主要是铝压铸产品的壳体，公司拥有自主设计模具的技术。

公司切入户储赛道，打开成长天花板。户储行业未来持续高增（2022-2025 复合增速 99%），是目前最景气的赛道之一。公司发布关于获得客户家具储能产品铝部件定点公告，户储定点项目生命周期为 5 年，每年销售总金额约 6 亿，公司预计 2022 年 Q4 开始量产。公司拿下欧洲铝瓶定点，深化铝加工平台化。公司子公司和升铝瓶获得欧洲某餐饮设备、奶油充电器等进口商和分销商铝瓶开发定点，铝瓶项目预计每年销售总金额约 8 亿人民币，公司预计2022年Q4开始逐步量产。从性能角度看，铝瓶具有低温冲击性能好、质量轻（相对钢瓶而言）、抗腐蚀性强等优势，适合储存标准气体、特种气体、食品级气体等；从能耗角度看，铝瓶具有可循环利用且回收能耗低、碳排放少的特点；从行业趋势角度看，铝瓶符合终端消费差异化、高端化的发展方向。公司铝瓶项目定点为欧洲餐饮设备产品分销商，我们认为公司的业务成功拓展有望引领行业趋势，促进国内铝瓶对钢瓶的替代。

公司业绩进入高速增长阶段。2019-2021 年，公司营业收入从 10.97 亿元增长至 30.23 亿元，整体保持快速增长的趋势，3 年 CAGR 为 40.20%。2019-2021 年及 2022Q3，公司归母净利分别为 2.07、3.33、4.13、4.85 亿元，同比增长-29.66%、61.10%、24.16%、46.2%。在全球绿色低碳转型的政策环境下，特斯拉、长城等国内外主要新能源汽车厂商的产销有望进一步提升，汽车零部件企业将随之受益，公司业务规模有望进一步扩大。

公司深度绑定特斯拉，客户集中度较高。2021 年，公司前五大客户营收占比为 66.2%,其中特斯拉占比 39.93%，赛科利占比 9.55%，采埃孚占比 6%，长城汽车占比 5.4%，北极星占比 5.32%。公司 2013 年开始与特斯拉合作，至今特斯拉仍是第一大客户。近年来，公司积极开拓业务范围，现已覆盖“北美、欧洲、亚太”三大全球新能源汽车的主要消费地区，并在相应区域针对重点客户或潜力客户进行布局，北极星（Polaris）、采埃孚、长城汽车、宁德时代等现均已成为公司的重要客户之一。

战略合作科佳模架公司，深化布局大型一体化压铸。公司 2022 年 10 月 31 日发布公告公司与科佳（长兴）模架制造有限公司签订战略合作协议，在新能源汽车的大型一体化车身结构件、一体化铸造电池盒箱体等产品的模具开发和工艺应用领域建立战略合作关系。大型一体化压铸的技术难点之一是大型一体压铸模具的生产，公司具有自主模具开发能力，而模架是模具生产中需要外购的产品。公司与模架龙头企业科佳合作之后，模架供应得到保障，并共同开发大型一体压铸模具，深化布局一体压铸，快速切入核心客户。

文章来源：未来智库

报告出品方/作者：信达证券，武浩，曾一赟