六西格瑪在光學透鏡加工流程質量改進中的應用研究

馬欣

摘? 要：以天津津航技術物理研究所（以下簡稱“研究所”）生產ZnSe光學透鏡的加工流程為研究對象，分析了當前對于光學透鏡的加工現狀以及質量管理現狀，結合六西格瑪方法特點，明確了六西格瑪管理中的DMAIC方法對于提升光學透鏡加工流程質量控制能力具有可行性。通過具體六西格瑪項目的實施，切實找出光學透鏡加工生產中存在的根本問題，并有效提升了產品加工合格率，降低生產成本，為“研究所”帶來經濟效益的同時，增強了管理團隊對六西格瑪管理方法的應用能力，為產品質量的后續改進儲備技術基礎，并且驗證了六西格瑪管理和流程改進對于精密光學加工行業提高產品質量和改善流程的重要意義。

關鍵詞：光學透鏡;六西格瑪; DMAIC;流程優化;質量改進

中圖分類號：O59? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2019）03-049-07

一、光學透鏡的加工現狀

（一）行業現狀

光學透鏡作為光學系統中用于改變光路的重要器件，經過一百多年的發展，其制造技術日趨成熟，光學透鏡在紅外成像裝置、激光探測裝置和電子產品制造等行業應用廣泛。但是，由于光學材料力學及加工性能的特殊性，ZnSe光學材料的制造技術尚未成熟，造成ZnSe光學透鏡加工質量控制困難，加工成本居高不下，制約了ZnSe光學透鏡元件在精密光學系統中的應用。因此，提高ZnSe光學透鏡產品的加工質量成為行業內急需解決的問題。

（二）“研究所”加工現狀

“研究所”是我國從事光電工程技術研究與應用的核心研究單位，精密光學加工技術研究與產品生產是其主要業務之一，近年來，隨著軍民產品對光學透鏡元件需求的增加，光學加工生產線排產任務量激增，原有生產管理方法對大批量生產條件下產品質量的管控能力日趨薄弱，造成光學透鏡元件加工質量問題頻發，不僅增加了加工制造成本，而且制約了生產能力提升。因此，“研究所”對光學透鏡產品加工質量改進的需求迫切。

（三）“研究所”質量管理現狀

隨著行業形勢的不斷發展，“研究所”開始實施產業調整、轉型升級，新一代產品日益復雜，技術難度不斷增加，研制周期進一步縮短，使用性要求更為突出，不論從管理還是技術方面都面臨著前所未有的挑戰，質量管理方面的問題進一步呈現出來。為了提升競爭力，開始引入各種先進的管理方法，包括精益生產管理、“零缺陷”系統工程管理、卓越績效模式、六西格瑪管理等。

目前，“研究所”質量管理體系由領導作用、體系策劃、支持、運行、績效評價、改進六大過程以及支持這些過程的子過程構成，形成文件并進行有效地實施、保持和持續改進。六大過程的邏輯順序及相互關系如圖1所示。

針對“研究所”產品質量管理體系涉及的生產過程，建立質量目標，明確質量目標的評價準則，對影響光學透鏡加工質量的技術指標和各生產流程需要達到的目標完成情況進行實際測量、監控，獲取測量指標對產品質量的影響權重，并及時調整，逐步提高產品質量和顧客滿意度。

二、六西格瑪管理的意義及方法

（一）六西格瑪管理的意義

六西格瑪作為一個統計學概，初始含義為在正態分布的情況下，統計數據落來-6σ和+6σ區間外的概率為3.4%。經過拓展演變為管理學概念，表示一個很高的質量目標，即在一百萬件產品中不合格品的數量為3.4件。

六西格瑪管理主要包含六西格瑪目標、方法和工具、管理體系、文化和戰略四個層次。企業通過實施六西格瑪項目，采用現代質量管理技術、應用統計技術、工業工程以及其他現代管理技術和信息技術，將六西格瑪改進體系與日常管理有機結合，形成以六西格瑪改進為核心的日常運營機制，使過程趨于目標值并減少波動，追求零缺陷，追求完美，并將六西格瑪價值觀和改進方法融入企業文化，作為企業戰略的核心，促進企業完成其使命，實現其愿景和戰略目標。

（二）六西格瑪管理方法

六西格瑪是一種為企業提供管理和策略的方法，對于企業或某項產品生產過程，可以作為評價產品生產執行情況的標準，強調對企業生產能力進行量化描述，并在此基礎上明確產品生產改進的方向和預期目標。此外，六西格瑪是能夠體現企業綜合能力和企業文化的管理哲學，是實現企業核心競爭力提升的技術手段。其核心精神包括：以顧客為關注重心;基于事實和數據驅動的管理方法;聚焦流程改進;有預見的積極管理;無邊界合作。追求完美，零容忍失誤。這六項不僅是六西格瑪能夠成功實施的保障，更是六西格瑪的文化，使其超越了一種單純的管理技術，成為管理的新秩序。

（三）DMAIC方法

六西格瑪管理中的DMAIC方法可以深入到產品生產過程中的工序級，使產品生產中各工序的質量得到提高，并降低生產成本，提高各工序生產效率。DMAIC方法通過對定義階段（D）、測量階段（M）、分析階段（A）、改進階段（I）和控制階段（C）的改進，為分析和解決產品生產實際問題提供決策依據。

DMAIC方法中以Y表示產品質量改進的目標，X表示生產過程中需要改變的參量。DMAIC方法通過對改進目標的定義，探尋影響和制約目標Y提升的關鍵因素X。各階段的具體意義分別為：（1）定義階段：確定顧客的關鍵需求并識別需要改進的產品或流程，組成項目團隊，制定項目計劃，決定要進行測量、分析、改進和控制的關鍵質量特定，將改進項目界定在合理的范圍內。（2）測量階段：通過對現有過程的測量和評估，制定期望達到的目標及績效衡量標準，識別影響過程輸出Y的輸入X，并驗證測量系統的有效性。（3）分析階段：通過數據分析確定影響輸出Y的關鍵X，即確定過程的關鍵影響因素。（4）改進階段：尋找最優改進方案，優化過程輸出Y并消除或減小關鍵X的影響，使過程的缺陷或變異降至最低。（5）控制階段：對改進成果進行固化，通過修訂文件等方法，使成功經驗制度化，通過有效的監測方法，維持過程改進的成果并尋求進一步提高改進效果的持續改進方法。 筆者通過過程能力分析、數據統計分析、試驗分析優化等六西格瑪工具方法，在基于“研究所”現有生產現狀及設備條件，從質量改進、效率提升和成本控制等方面展開研究，以求實現企業效益的最大化。

三、六西格瑪方法應用于“研究所”的可行性分析

“研究所”自20世紀90年代起，便開始根據國家軍用系列標準建立質量管理模式，并逐步引進或建立了質量管理信息系統、內部質量審核制度等質量管理手段，并隨形勢的改變引入先進的國際管理方法，包括精益生產管理、“零缺陷”系統工程管理、卓越績效模式等。雖然這些方法的實施對于“研究所”的整體質量管理情況的提升取得了一定的效果。但就目前情況而言，在質量控制、生產管理等方面的提升空間還是非常大的，在已有方法已達到最大效果的情況下，開始對以關注客戶滿意度為中心、以生產實際驅動企業管理、以過程控制為重點、突出預防性管理、企業內部充分合作、追求更好但允許試錯的六西格瑪管理方法開展了充分的研究和可行性分析。

ZnSe光學透鏡產品的表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度等是客戶最為關注的技術指標，為了提高客戶對ZnSe產品的滿意度，“研究所”致力于優化產品工藝流程和工藝參數，提高產品加工質量的同時降低加工成本，進而增強ZnSe光學元件制造核心競爭力。ZnSe透鏡加工工藝流程為成熟工藝技術，主要包括下料、粗磨、精磨、拋光、定心磨邊、單點金剛石車削六個工序。建立全新的生產線需要投入的硬件條件包括粗磨設備、精磨設備、拋光設備、金剛石車削設備等，預計需要上千萬的經費。如果采用六西格瑪方法重新規劃ZnSe透鏡光學加工生產線，優化ZnSe透鏡加工工藝流程，需要投入的資金和人力成本過大，并短期內無法收到效益。但是，DMAIC方法是根據企業實際特點主動分析產生問題的源頭，從問題根源出發提供解決方案。DMAIC方法重點關注在產品質量控制環節對現有生產流程加以改進，使用較少的投資即可以實現較大的產品質量改進效果。因此，六西格瑪中的DMAIC方法可以滿足“研究所”對ZnSe透鏡加工質量改進方面的需求。

四、光學透鏡加工的六西格瑪項目實施

（一）ZnSe透鏡光學加工過程分析

據統計，目前“研究所”有11個型號共33種CVD ZnSe材料透鏡處于在線加工狀態。由于CVD ZnSe材料透鏡本身所具有的優良的光學特性與機械特性，雖然價格昂貴，但在紅外成像型號產品中處于不可替代的地位，這也使得其加工質量在很大程度上決定了幾乎所有紅外成像型號產品的成本、質量、進度等指標。根據CVD ZnSe透鏡形面的不同，球面透鏡與非球面透鏡的加工流程存在差異。CVD ZnSe球面透鏡光學加工流程包括：下料、粗磨、精磨、拋光、定心磨邊五個工序。CVD ZnSe非球面透鏡加工流程包括：下料、粗磨成形、光加第一表面、定心磨邊、光加第二表面五個工序，其中光加第一表面和光加第二表面，可以是車削加工也可以是拋光加工。

在CVD ZnSe光學透鏡加工過程中各工序需要檢驗的項目、檢測方法、量具及應用檢測標準如表1所示。由表1可見，當前光學加工過程中，除研磨面形、研磨過程邊緣對中心跳動量兩個指標外，均有相應檢測標準予以指導。在具有檢測標準的指標中，除光學表面疵病指標為顯微放大目視檢驗定級外，均可得到數字量化結果。

（二）光學加工六西格瑪項目案例

目前，“研究所”CVD ZnSe光學透鏡加工存在成品率較低（不足30%）的實時情況，大大增加了型號產品的研制生產成本，生產進度不易控制，且給生產過程管理帶來了很大的難度。需運用六西格瑪管理方法的DMAIC步驟進行質量改進。

1.定義階段

識別客戶：最終客戶為“研究所”內鏡頭裝校工序。產品質量直接體現在光學加工出的CVD ZnSe能否裝配出滿足成像要求的鏡頭。

定義CTQ：統計近半年生產的7型號11種共108件CVD ZnSe光學加工終檢不合格情況，其中球面透鏡55件，非球面透鏡53件。

經調查發現，倒角超差和外徑超差屬于偶發的操作性問題，材料內部缺陷屬于不可控問題。另外，中心厚度超差、表面疵病超差和面形指標超差屬于普遍存在問題，與透鏡形狀、面形特征、生產批次等無關，需要采用較為全面的質量措施。粗糙度超差分布在兩種高陡度的非球面面形上，具有特定性，需要采用特定的解決措施。

定義項目團隊：團隊共15人，其中質量管理人員3名，工藝人員4名，操作人員5名，檢驗人員3名。

2.測量階段

基于“研究所”的現狀，對表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度四個指標展開測量系統分析。

中心厚度指標：其檢測屬長度測量，技術極為成熟，諸多型號儀器均能實現微米級的檢測，足以支撐0.01mm級別中心厚度指標檢測需求。且所用儀器操作方法固定，儀器定期鑒定，因此中心厚度指標在檢測上不存在問題。

面形：其檢測分為球面面形檢測和非球面面形兩種。球面面形的最終檢測采用數字激光干涉儀，“研究所”內有多個型號數字激光干涉儀，檢測分辨率和標準鏡頭精度略有差異，實際檢測結果也略有差異。雖然各儀器獨立均具備PV值1/20λ的精度，滿足測量要求。但經統計，儀器間RMS值檢測偏差在1/100λ，需在操作層面上進行規范，以降低該指標質量在判定上的誤差。另外，對于數字激光干涉儀的日常的標校，也沒有相應標準，也應編寫規范性文件予以指導。非球面面形采用Talysurf式輪廓儀檢測，檢測精度取決于Talysurf式輪廓儀標定精度。儀器定期經權威第三方鑒定，其面形標定精度為0.04-0.08μm，足以支撐當前小于0.5μm的設計指標要求。

表面粗糙度：目前對于非球面表面粗糙度指標目前沒有相應通用儀器予以支撐，暫且不能形成統一的評價標準，需要開展規范化工作。

表面疵病：目前“研究所”仍采用傳統的6X放大鏡目視檢查，根據GB/T 1185人工予以評級。但是，GB/T1185存在著指導波段不匹配，對多晶材料光加后形成的色斑、霧狀紋、網狀紋如何判斷未規定，對于車削環帶狀擦痕如何判斷未明確等問題。因此，需要以此為基礎，建立適用于“研究所”的評價標準。

綜上，表面疵病指標和非球面表面粗糙度指標需要在參數評價標準上做工作。球面面形指標需要在檢測操作層面做規范。使用的檢測系統可支撐當前的質量管控需求。

3.分析階段

按照CVD ZnSe光學加工流程進行工序過程能力分析，找出各工序中可能造成質量問題的因素。

下料：整體發送質量問題占比不足3%，且為偶發的操作不當，不存在工序能力不足的問題。

粗磨：粗成形工序發生質量問題占比不超過7%。手工散粒研磨對工裝依賴程度高。工裝供應不及時易導致工裝使用不當造成質量問題。

精磨：在中心厚度和面形指標設定上，按檢驗要求合格時，單實際拋光加工操作不便的現象屢屢發生。古典拋光工序的操作人員掌握精磨技能，自行控制拋光前的精磨指標，有利于減少工序交接的爭議，并提升加工效率。因此，對于CVD ZnSe球面透鏡的古典法加工，應將精磨工序和拋光工序整合。

拋光：球面表面的質量問題90%以上集中在拋光工序上，如擦痕、麻點、云狀斑塊等缺陷，為消除這些缺陷，不得不繼續修整，使得中心厚度減少，甚至超出下差，同時由于修整去除過程的不均勻，也易導致面形超差。因此，需要對該工序優化出能夠提升表面疵病控制能力的工藝參數。

定心磨邊：由于CVD ZnSe材質較軟，采用大去除量易導致崩邊，導致零件表面疵病指標中“破邊”方面超差，因此本工序的加工只能犧牲效率，用小去除量多次去除，來保證質量。

單點金剛石車削：CVD ZnSe車削表面的表面疵病控制能力較差，易出現云狀花斑、麻點以及車加工特有的環帶狀花斑等缺陷，而且環帶狀花斑是造成表面疵病指標超差的主因。經研究，造成環帶狀花斑的主因是切削參數設置不當，需要進行優化。

4.改進階段

基于以上分析，本項目主要從評價指標的規范和加工工藝參數的優化兩方面開展改進工作。（1）評價指標參數規范。粗糙度指標：針對目前單點金剛石車削非球面采用Talysurf式輪廓儀無合適表面粗糙度分析算法及指導標準的問題，由于車加工同R/D數的非球面和球面在表面粗糙度指標上沒有差異，采用車削非球面近似球的方式，對出現問題兩種非球面進行了模擬，每種零件試驗3個樣品。經試驗，近似球面的表面粗糙度Ra值分布在0.006～0.008μm，滿足Ra值小于0.012μm的要求。進一步對4個型號中6種非球面零件開展了同樣的粗糙度試驗，試驗結果分布在0.003～0.009μm，均滿足要求。另外，又由于檢測過程會對表面產生劃傷，同時消耗大量人力物力，因此，在經各階段加工實驗驗證，工藝過程足以保證此指標合格的情況下，應對該指標予以免檢。表面疵病指標：以適用于可見光零件對于表面疵病的評價標準為藍本，結合紅外零件特點組織編制了適用于“研究所”工程現狀的《紅外光學零件表面疵病評價規范》。規范適用于經拋光、單點金剛石車削、磨邊、模壓、鍍膜等加工后的完工光學零件表面疵病的評價（包括透鏡、反射鏡、棱鏡、濾光片、窗口等），規定了紅外光學零件表面疵病的術語和定義、分級與規定、檢驗依據與方法和標注方法。既能夠用于判定紅外光學零件表面疵病等級，又能夠做到與行業習慣接軌。面形指標：對使用數字激光干涉儀檢測CVD ZnSe球面光學表面，組織編寫了《數字激光干涉法面形檢驗工藝規范》。規范適用于數字激光干涉法面形檢驗，主要是球面和平面，對數字激光干涉法面形檢驗的術語和定義、操作人員要求、檢驗儀器要求、環境要求、檢驗工藝過程和操作安全要求都進行了規范。（2）加工工藝參數優化。如之前分析，需要在單點金剛石車削和拋光工序開展工藝優化工作，本項目分別對單點金剛石車削工序中的主軸轉速（A）、進給速度（B）、切削深度（C）三個參數和拋光工序中的拋光磨料（A）、PH值（B）、氧化劑含量（C）、表面活性（D）四個參數進行了L9（34）正交試驗。在單點金剛石車削工序正交試驗中，由于車削加工主要需控制其特定的環帶狀花斑，對此用表面粗糙度Ra值表征效果明顯。因此，選定表面粗糙度Ra值為車削優選試驗的評價參數，同時，為便于評測，車削表面為球面半徑R65mm口徑D40mm的球面。試驗為三因子水平試驗，共9組，其參數設置及結果如表2，3所示。

5.控制階段

改進成果文件化：通過總結成果，編制《紅外光學零件表面疵病評價規范》和《數字激光干涉法面形檢驗工藝規范》。兩份標準的編制是積累了多型號的工藝加工的經驗的基礎上形成的，對各型號的工藝優化起到了很好的指導作用，大大的提高了成品率，節約了成本。

五、結論

在對“研究所”生產管理背景和質量管理現狀分析的基礎上，以ZnSe透鏡光學加工存在的質量問題為出發點，開展了六西格瑪理論在ZnSe透鏡質量改進方面應用研究。采用六西格瑪的DMAIC模型，開展了定義、測量、分析、改進以及控制五個階段的六西格瑪項目實施。統計分析了產品值問題，梳理了現有加工工藝流程，對關鍵工序進行了工藝參數優化，提高了工序過程能力，針對關鍵技術指標制定了更合理的評定標準，最終有效解決了ZnSe透鏡表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度等技術指標無法滿足客戶需要的問題。同時，通過光學透鏡產品加工質量改進項目的研究，增強了“研究所”管理團隊對六西格瑪管理方法的應用能力，為產品質量的后續改進儲備技術基礎。并且在一定程度上驗證了六西格瑪管理體系在精密光學加工行業應用的可行性。

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