六西格玛在光学透镜加工流程质量改进中的应用研究

马欣

摘  要：以天津津航技术物理研究所（以下简称“研究所”）生产ZnSe光学透镜的加工流程为研究对象，分析了当前对于光学透镜的加工现状以及质量管理现状，结合六西格玛方法特点，明确了六西格玛管理中的DMAIC方法对于提升光学透镜加工流程质量控制能力具有可行性。通过具体六西格玛项目的实施，切实找出光学透镜加工生产中存在的根本问题，并有效提升了产品加工合格率，降低生产成本，为“研究所”带来经济效益的同时，增强了管理团队对六西格玛管理方法的应用能力，為产品质量的后续改进储备技术基础，并且验证了六西格玛管理和流程改进对于精密光学加工行业提高产品质量和改善流程的重要意义。

关键词：光学透镜;六西格玛; DMAIC;流程优化;质量改进

中图分类号：O59      文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2019）03-049-07

一、光学透镜的加工现状

（一）行业现状

光学透镜作为光学系统中用于改变光路的重要器件，经过一百多年的发展，其制造技术日趋成熟，光学透镜在红外成像装置、激光探测装置和电子产品制造等行业应用广泛。但是，由于光学材料力学及加工性能的特殊性，ZnSe光学材料的制造技术尚未成熟，造成ZnSe光学透镜加工质量控制困难，加工成本居高不下，制约了ZnSe光学透镜元件在精密光学系统中的应用。因此，提高ZnSe光学透镜产品的加工质量成为行业内急需解决的问题。

（二）“研究所”加工现状

“研究所”是我国从事光电工程技术研究与应用的核心研究单位，精密光学加工技术研究与产品生产是其主要业务之一，近年来，随着军民产品对光学透镜元件需求的增加，光学加工生产线排产任务量激增，原有生产管理方法对大批量生产条件下产品质量的管控能力日趋薄弱，造成光学透镜元件加工质量问题频发，不仅增加了加工制造成本，而且制约了生产能力提升。因此，“研究所”对光学透镜产品加工质量改进的需求迫切。

（三）“研究所”质量管理现状

随着行业形势的不断发展，“研究所”开始实施产业调整、转型升级，新一代产品日益复杂，技术难度不断增加，研制周期进一步缩短，使用性要求更为突出，不论从管理还是技术方面都面临着前所未有的挑战，质量管理方面的问题进一步呈现出来。为了提升竞争力，开始引入各种先进的管理方法，包括精益生产管理、“零缺陷”系统工程管理、卓越绩效模式、六西格玛管理等。

目前，“研究所”质量管理体系由领导作用、体系策划、支持、运行、绩效评价、改进六大过程以及支持这些过程的子过程构成，形成文件并进行有效地实施、保持和持续改进。六大过程的逻辑顺序及相互关系如图1所示。

针对“研究所”产品质量管理体系涉及的生产过程，建立质量目标，明确质量目标的评价准则，对影响光学透镜加工质量的技术指标和各生产流程需要达到的目标完成情况进行实际测量、监控，获取测量指标对产品质量的影响权重，并及时调整，逐步提高产品质量和顾客满意度。

二、六西格玛管理的意义及方法

（一）六西格玛管理的意义

六西格玛作为一个统计学概，初始含义为在正态分布的情况下，统计数据落来-6σ和+6σ区间外的概率为3.4%。经过拓展演变为管理学概念，表示一个很高的质量目标，即在一百万件产品中不合格品的数量为3.4件。

六西格玛管理主要包含六西格玛目标、方法和工具、管理体系、文化和战略四个层次。企业通过实施六西格玛项目，采用现代质量管理技术、应用统计技术、工业工程以及其他现代管理技术和信息技术，将六西格玛改进体系与日常管理有机结合，形成以六西格玛改进为核心的日常运营机制，使过程趋于目标值并减少波动，追求零缺陷，追求完美，并将六西格玛价值观和改进方法融入企业文化，作为企业战略的核心，促进企业完成其使命，实现其愿景和战略目标。

（二）六西格玛管理方法

六西格玛是一种为企业提供管理和策略的方法，对于企业或某项产品生产过程，可以作为评价产品生产执行情况的标准，强调对企业生产能力进行量化描述，并在此基础上明确产品生产改进的方向和预期目标。此外，六西格玛是能够体现企业综合能力和企业文化的管理哲学，是实现企业核心竞争力提升的技术手段。其核心精神包括：以顾客为关注重心;基于事实和数据驱动的管理方法;聚焦流程改进;有预见的积极管理;无边界合作。追求完美，零容忍失误。这六项不仅是六西格玛能够成功实施的保障，更是六西格玛的文化，使其超越了一种单纯的管理技术，成为管理的新秩序。

（三）DMAIC方法

六西格玛管理中的DMAIC方法可以深入到产品生产过程中的工序级，使产品生产中各工序的质量得到提高，并降低生产成本，提高各工序生产效率。DMAIC方法通过对定义阶段（D）、测量阶段（M）、分析阶段（A）、改进阶段（I）和控制阶段（C）的改进，为分析和解决产品生产实际问题提供决策依据。

DMAIC方法中以Y表示产品质量改进的目标，X表示生产过程中需要改变的参量。DMAIC方法通过对改进目标的定义，探寻影响和制约目标Y提升的关键因素X。各阶段的具体意义分别为：（1）定义阶段：确定顾客的关键需求并识别需要改进的产品或流程，组成项目团队，制定项目计划，决定要进行测量、分析、改进和控制的关键质量特定，将改进项目界定在合理的范围内。（2）测量阶段：通过对现有过程的测量和评估，制定期望达到的目标及绩效衡量标准，识别影响过程输出Y的输入X，并验证测量系统的有效性。（3）分析阶段：通过数据分析确定影响输出Y的关键X，即确定过程的关键影响因素。（4）改进阶段：寻找最优改进方案，优化过程输出Y并消除或减小关键X的影响，使过程的缺陷或变异降至最低。（5）控制阶段：对改进成果进行固化，通过修订文件等方法，使成功经验制度化，通过有效的监测方法，维持过程改进的成果并寻求进一步提高改进效果的持续改进方法。 笔者通过过程能力分析、数据统计分析、试验分析优化等六西格玛工具方法，在基于“研究所”现有生产现状及设备条件，从质量改进、效率提升和成本控制等方面展开研究，以求实现企业效益的最大化。

三、六西格玛方法应用于“研究所”的可行性分析

“研究所”自20世纪90年代起，便开始根据国家军用系列标准建立质量管理模式，并逐步引进或建立了质量管理信息系统、内部质量审核制度等质量管理手段，并随形势的改变引入先进的国际管理方法，包括精益生产管理、“零缺陷”系统工程管理、卓越绩效模式等。虽然这些方法的实施对于“研究所”的整体质量管理情况的提升取得了一定的效果。但就目前情况而言，在质量控制、生产管理等方面的提升空間还是非常大的，在已有方法已达到最大效果的情况下，开始对以关注客户满意度为中心、以生产实际驱动企业管理、以过程控制为重点、突出预防性管理、企业内部充分合作、追求更好但允许试错的六西格玛管理方法开展了充分的研究和可行性分析。

ZnSe光学透镜产品的表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度等是客户最为关注的技术指标，为了提高客户对ZnSe产品的满意度，“研究所”致力于优化产品工艺流程和工艺参数，提高产品加工质量的同时降低加工成本，进而增强ZnSe光学元件制造核心竞争力。ZnSe透镜加工工艺流程为成熟工艺技术，主要包括下料、粗磨、精磨、抛光、定心磨边、单点金刚石车削六个工序。建立全新的生产线需要投入的硬件条件包括粗磨设备、精磨设备、抛光设备、金刚石车削设备等，预计需要上千万的经费。如果采用六西格玛方法重新规划ZnSe透镜光学加工生产线，优化ZnSe透镜加工工艺流程，需要投入的资金和人力成本过大，并短期内无法收到效益。但是，DMAIC方法是根据企业实际特点主动分析产生问题的源头，从问题根源出发提供解决方案。DMAIC方法重点关注在产品质量控制环节对现有生产流程加以改进，使用较少的投资即可以实现较大的产品质量改进效果。因此，六西格玛中的DMAIC方法可以满足“研究所”对ZnSe透镜加工质量改进方面的需求。

四、光学透镜加工的六西格玛项目实施

（一）ZnSe透镜光学加工过程分析

据统计，目前“研究所”有11个型号共33种CVD ZnSe材料透镜处于在线加工状态。由于CVD ZnSe材料透镜本身所具有的优良的光学特性与机械特性，虽然价格昂贵，但在红外成像型号产品中处于不可替代的地位，这也使得其加工质量在很大程度上决定了几乎所有红外成像型号产品的成本、质量、进度等指标。根据CVD ZnSe透镜形面的不同，球面透镜与非球面透镜的加工流程存在差异。CVD ZnSe球面透镜光学加工流程包括：下料、粗磨、精磨、抛光、定心磨边五个工序。CVD ZnSe非球面透镜加工流程包括：下料、粗磨成形、光加第一表面、定心磨边、光加第二表面五个工序，其中光加第一表面和光加第二表面，可以是车削加工也可以是抛光加工。

在CVD ZnSe光学透镜加工过程中各工序需要检验的项目、检测方法、量具及应用检测标准如表1所示。由表1可见，当前光学加工过程中，除研磨面形、研磨过程边缘对中心跳动量两个指标外，均有相应检测标准予以指导。在具有检测标准的指标中，除光学表面疵病指标为显微放大目视检验定级外，均可得到数字量化结果。

（二）光学加工六西格玛项目案例

目前，“研究所”CVD ZnSe光学透镜加工存在成品率较低（不足30%）的实时情况，大大增加了型号产品的研制生产成本，生产进度不易控制，且给生产过程管理带来了很大的难度。需运用六西格玛管理方法的DMAIC步骤进行质量改进。

1.定义阶段

识别客户：最终客户为“研究所”内镜头装校工序。产品质量直接体现在光学加工出的CVD ZnSe能否装配出满足成像要求的镜头。

定义CTQ：统计近半年生产的7型号11种共108件CVD ZnSe光学加工终检不合格情况，其中球面透镜55件，非球面透镜53件。

经调查发现，倒角超差和外径超差属于偶发的操作性问题，材料内部缺陷属于不可控问题。另外，中心厚度超差、表面疵病超差和面形指标超差属于普遍存在问题，与透镜形状、面形特征、生产批次等无关，需要采用较为全面的质量措施。粗糙度超差分布在两种高陡度的非球面面形上，具有特定性，需要采用特定的解决措施。

定义项目团队：团队共15人，其中质量管理人员3名，工艺人员4名，操作人员5名，检验人员3名。

2.测量阶段

基于“研究所”的现状，对表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度四个指标展开测量系统分析。

中心厚度指标：其检测属长度测量，技术极为成熟，诸多型号仪器均能实现微米级的检测，足以支撑0.01mm级别中心厚度指标检测需求。且所用仪器操作方法固定，仪器定期鉴定，因此中心厚度指标在检测上不存在问题。

面形：其检测分为球面面形检测和非球面面形两种。球面面形的最终检测采用数字激光干涉仪，“研究所”内有多个型号数字激光干涉仪，检测分辨率和标准镜头精度略有差异，实际检测结果也略有差异。虽然各仪器独立均具备PV值1/20λ的精度，满足测量要求。但经统计，仪器间RMS值检测偏差在1/100λ，需在操作层面上进行规范，以降低该指标质量在判定上的误差。另外，对于数字激光干涉仪的日常的标校，也没有相应标准，也应编写规范性文件予以指导。非球面面形采用Talysurf式轮廓仪检测，检测精度取决于Talysurf式轮廓仪标定精度。仪器定期经权威第三方鉴定，其面形标定精度为0.04-0.08μm，足以支撑当前小于0.5μm的设计指标要求。

表面粗糙度：目前对于非球面表面粗糙度指标目前没有相应通用仪器予以支撑，暂且不能形成统一的评价标准，需要开展规范化工作。

表面疵病：目前“研究所”仍采用传统的6X放大镜目视检查，根据GB/T 1185人工予以评级。但是，GB/T1185存在着指导波段不匹配，对多晶材料光加后形成的色斑、雾状纹、网状纹如何判断未规定，对于车削环带状擦痕如何判断未明确等问题。因此，需要以此为基础，建立适用于“研究所”的评价标准。

综上，表面疵病指标和非球面表面粗糙度指标需要在参数评价标准上做工作。球面面形指标需要在检测操作层面做规范。使用的检测系统可支撑当前的质量管控需求。

3.分析阶段

按照CVD ZnSe光学加工流程进行工序过程能力分析，找出各工序中可能造成质量问题的因素。

下料：整体发送质量问题占比不足3%，且为偶发的操作不当，不存在工序能力不足的问题。

粗磨：粗成形工序发生质量问题占比不超过7%。手工散粒研磨对工装依赖程度高。工装供应不及时易导致工装使用不当造成质量问题。

精磨：在中心厚度和面形指标设定上，按检验要求合格时，单实际抛光加工操作不便的现象屡屡发生。古典抛光工序的操作人员掌握精磨技能，自行控制抛光前的精磨指标，有利于减少工序交接的争议，并提升加工效率。因此，对于CVD ZnSe球面透镜的古典法加工，应将精磨工序和抛光工序整合。

抛光：球面表面的质量问题90%以上集中在抛光工序上，如擦痕、麻点、云状斑块等缺陷，为消除这些缺陷，不得不继续修整，使得中心厚度减少，甚至超出下差，同时由于修整去除过程的不均匀，也易导致面形超差。因此，需要对该工序优化出能够提升表面疵病控制能力的工艺参数。

定心磨边：由于CVD ZnSe材质较软，采用大去除量易导致崩边，导致零件表面疵病指标中“破边”方面超差，因此本工序的加工只能牺牲效率，用小去除量多次去除，来保证质量。

单点金刚石车削：CVD ZnSe车削表面的表面疵病控制能力较差，易出现云状花斑、麻点以及车加工特有的環带状花斑等缺陷，而且环带状花斑是造成表面疵病指标超差的主因。经研究，造成环带状花斑的主因是切削参数设置不当，需要进行优化。

4.改进阶段

基于以上分析，本项目主要从评价指标的规范和加工工艺参数的优化两方面开展改进工作。（1）评价指标参数规范。粗糙度指标：针对目前单点金刚石车削非球面采用Talysurf式轮廓仪无合适表面粗糙度分析算法及指导标准的问题，由于车加工同R/D数的非球面和球面在表面粗糙度指标上没有差异，采用车削非球面近似球的方式，对出现问题两种非球面进行了模拟，每种零件试验3个样品。经试验，近似球面的表面粗糙度Ra值分布在0.006～0.008μm，满足Ra值小于0.012μm的要求。进一步对4个型号中6种非球面零件开展了同样的粗糙度试验，试验结果分布在0.003～0.009μm，均满足要求。另外，又由于检测过程会对表面产生划伤，同时消耗大量人力物力，因此，在经各阶段加工实验验证，工艺过程足以保证此指标合格的情况下，应对该指标予以免检。表面疵病指标：以适用于可见光零件对于表面疵病的评价标准为蓝本，结合红外零件特点组织编制了适用于“研究所”工程现状的《红外光学零件表面疵病评价规范》。规范适用于经抛光、单点金刚石车削、磨边、模压、镀膜等加工后的完工光学零件表面疵病的评价（包括透镜、反射镜、棱镜、滤光片、窗口等），规定了红外光学零件表面疵病的术语和定义、分级与规定、检验依据与方法和标注方法。既能够用于判定红外光学零件表面疵病等级，又能够做到与行业习惯接轨。面形指标：对使用数字激光干涉仪检测CVD ZnSe球面光学表面，组织编写了《数字激光干涉法面形检验工艺规范》。规范适用于数字激光干涉法面形检验，主要是球面和平面，对数字激光干涉法面形检验的术语和定义、操作人员要求、检验仪器要求、环境要求、检验工艺过程和操作安全要求都进行了规范。（2）加工工艺参数优化。如之前分析，需要在单点金刚石车削和抛光工序开展工艺优化工作，本项目分别对单点金刚石车削工序中的主轴转速（A）、进给速度（B）、切削深度（C）三个参数和抛光工序中的抛光磨料（A）、PH值（B）、氧化剂含量（C）、表面活性（D）四个参数进行了L9（34）正交试验。在单点金刚石车削工序正交试验中，由于车削加工主要需控制其特定的环带状花斑，对此用表面粗糙度Ra值表征效果明显。因此，选定表面粗糙度Ra值为车削优选试验的评价参数，同时，为便于评测，车削表面为球面半径R65mm口径D40mm的球面。试验为三因子水平试验，共9组，其参数设置及结果如表2，3所示。

5.控制阶段

改进成果文件化：通过总结成果，编制《红外光学零件表面疵病评价规范》和《数字激光干涉法面形检验工艺规范》。两份标准的编制是积累了多型号的工艺加工的经验的基础上形成的，对各型号的工艺优化起到了很好的指导作用，大大的提高了成品率，节约了成本。

五、结论

在对“研究所”生产管理背景和质量管理现状分析的基础上，以ZnSe透镜光学加工存在的质量问题为出发点，开展了六西格玛理论在ZnSe透镜质量改进方面应用研究。采用六西格玛的DMAIC模型，开展了定义、测量、分析、改进以及控制五个阶段的六西格玛项目实施。统计分析了产品值问题，梳理了现有加工工艺流程，对关键工序进行了工艺参数优化，提高了工序过程能力，针对关键技术指标制定了更合理的评定标准，最终有效解决了ZnSe透镜表面疵病、面形、中心厚度、表面粗糙度等技术指标无法满足客户需要的问题。同时，通过光学透镜产品加工质量改进项目的研究，增强了“研究所”管理团队对六西格玛管理方法的应用能力，为产品质量的后续改进储备技术基础。并且在一定程度上验证了六西格玛管理体系在精密光学加工行业应用的可行性。

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