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機械工学において、キーは回転する機械要素をシャフトに接続するために使用される機械要素です。キーは2つの部品間の相対回転を防止し、トルク伝達を可能にします。キーが機能するためには、シャフトと回転する機械要素にキー溝とキー座（キーがはまる溝とポケット）が必要です。システム全体をキー付きジョイントと呼びます。[ 1 ] [ 2 ]キー付きジョイントは、部品間の相対的な軸方向の動きを許容する場合があります。
キーには、主に5つの種類があります。凹型、鞍型、接線型、丸型、スプライン型です。
沈み鍵の種類：長方形、正方形、平行沈み鍵、ギブヘッド、フェザー、ウッドラフ。
平行キーが最も広く使用されています。断面は正方形または長方形です。正方形キーは小径シャフトに使用され、長方形面キーは直径6.5インチ (170 mm)を超えるシャフト、または相手ハブの肉厚が問題となる場合に使用されます。セットスクリューは、相手部品を所定の位置に固定するために、平行キーと一緒に使用されることがよくあります。[ 3 ]キー溝は、シャフトと相手部品の両方にある長手方向のスロットです。
どこ
ウッドラフキーは半円形で、一部が円形セグメントキー溝に嵌合し、残りの部分が相手部品の縦方向スロットキー溝に嵌合します。円形セグメントは、逃げ加工なしで円形ウッドラフカッターによるプランジ切削で直接切削できます。ウッドラフキーの主な利点は、応力集中[ 4 ]や同心度[ 3 ]に影響するシャフト肩付近のフライス加工が不要になることです。後者は高速運転において特に重要です。キーとキー溝のより精密な嵌合により、遊びや応力集中が低減され、キーの信頼性が向上します。さらに、固着したキーはハンマーで叩くだけでシャフトから取り外せるという利点もあります。円形プロファイルによりキーがスロットから押し出されますが、標準的なキーは軸方向に押し出すか、スロットから引き抜く必要があります。一般的な用途としては、工作機械、自動車、除雪機、船舶用プロペラなどがあります。
このタイプの鍵は、コネチカット州ハートフォードのウィリアム・N・ウッドラフによって開発されました。1888年、彼はその発明によりフランクリン研究所からジョン・スコット・メダルを授与されました。[ 5 ]
テーパーキーは、ハブに噛み合う側だけがテーパー状になっています。ハブのキー溝には、テーパーキーのテーパーに合うテーパーが付いています。一部のテーパーキーには、分解時に簡単に取り外せるように、ジブまたはタブが付いています。テーパーの目的は、キー自体を固定するとともに、セットスクリューを使わずにシャフトをハブにしっかりと固定することです。テーパーキーの問題点は、シャフトの回転中心が相手部品からわずかにずれる可能性があることです。[ 3 ]テーパーキーはキー溝に一致するテーパーが付いているのに対し、テーパーシャフトロックには付いていない点で、テーパーシャフトロックとは異なります。
スコッチキーまたはダッチキーは、組み立てられたハブとシャフトに軸方向に穴を開けて作られた円形のキー溝（長方形ではない）を持ち、金属製のダボピンがキーとして機能します。穴とキーがテーパー状になっている場合、キーはダッチピンと呼ばれ、打ち込まれ、必要に応じてシャフトの端面と面一になるように切削または研磨されます。直線状のダッチキー溝にねじ山が切られている場合は、通常のねじがねじ付きダッチキーとして機能します。
スプリングピンは、ソリッドダウエルピンの代替として用いられるダッチキー部品です。スプリングピンは自己固定式で、振動によって緩むことはありません。中空スプリングピンはソリッドダウエルピンよりもせん断強度が弱く、肉厚を変えることで強度を調整できます。このせん断強度の制限は、通常の動作を維持しつつ、過大な軸トルクが発生した場合に破損することで、機械の他の部分を損傷から保護するように設計されています。
ハブとシャフトの間にブッシング部品を追加することで、キー付きジョイントの性能と利便性が向上します。 テーパーロックブッシングは、長方形のキー溝に加えて、3つのねじ付きダッチキー溝と2つの止めねじをダッチキーとして備えたキー付きハブ継手です。ダッチキー溝は、ハブ側またはシャフト側のどちらか一方にのみねじが切られており、反対側にはねじクリアランス穴があります。止めねじを選択した穴にねじ込むだけで、ハンマーで叩いたりハブを引っ張ったりすることなく、ハブ機構が簡単に作動し、シャフトをしっかりとロックしたり、確実に解放したりできます。クイックディスコネクト（QD）ブッシングも同様に機能しますが、ブッシングとハブの接合部ではなく、シャフト軸からさらに離れたブッシングフランジ上に、ねじなしの穴3つとねじ付き穴3つの円形パターンを配置します。
ハースジョイントはスプラインジョイントに似ていますが、歯がシャフトの表面ではなく端にある点が異なります。
これらのタイプのキーは、一般的に駆動部材（例えばシャフト）に取り付けられます。これらのタイプのキーは、埋め込みキーに比べて強度が劣ります。これらは、被駆動部材（例えばカップリング）に低出力を伝達する場合に、まれに使用されるキーです。
接線キーは、高トルクの重荷重用途で使用されます。各キー溝の側面となる部分がキーが収まるヒールを形成し、圧縮力を伝達します。このため、シャフトの可逆的な動きを実現するには、反対方向の接線に沿って別のキーが必要になります。通常、このキーはシャフト上で90°または180°オフセットされます。キーの形状は、くさび形、長方形、正方形などがありますが、特に長方形のダブルテーパーキーがよく使用されます。
このタイプのキーは、ハブ内の複数のキー溝を利用して高電力を伝送します。
キー溝加工とは、相手部品に溝を加工する工程のことです。キー溝加工は、ブローチ盤、キー溝加工機、ワイヤ放電加工機、シェーパー、立形溝加工機、立形または横形フライス盤、あるいはノミとヤスリなど、さまざまな機械で行うことができます。
ブローチ加工は主に、角が直角な内歯キー溝を切削するために使用されます。特定のブローチ、ブッシング、ガイドは、それぞれのキー溝の断面形状に合わせて使用されるため、このプロセスは他のほとんどの方法よりも高価になります。しかし、すべてのプロセスの中で最も正確なキー溝を製造できます。キー溝のブローチ加工には、主に次の 3 つのステップがあります。まず、ワークピースをアーバープレスにセットし、ブッシングをワークピースの開口部に配置します。次に、ブローチを挿入して押し込み、キー溝を切削します。最後に、ブッシングとブローチの間にシムを配置して、キーに必要な正しい深さを実現します。[ 6 ]
キーシーター（キーシーティングマシン、キーウェイカッターとも呼ばれる）は、キー溝を切削するために設計された特殊な機械です。垂直シェーパーと非常によく似ていますが、キーシーターの切削工具はワークピースの下から入り、下降ストロークで切削するのに対し、シェーパーの工具はワークピースの上から入り、下降ストロークで切削するという違いがあります。もう1つの違いは、キーシーターにはワークピースの上部にガイドシステムがあり、たわみを最小限に抑えることで、より高精度の切削が可能になることです。加工は、治具またはバイスでワークピースをテーブルに固定することから始まります。ワークピースが適切に位置決めされたら、往復アームが作動します。一部のモデルは固定テーブルを備えているため、カッターはワークピースに水平に送られますが、他のモデルは可動テーブルを備え、ワークピースを固定カッターに送ります。これらの機械は、キー溝以外の直線状の形状も切削できます（図を参照）。また、ワークピース全体を貫通しないスロットであるブラインドスロットも作成できます。 [ 7 ] [ 8 ]
ワイヤ放電加工（EDM）は、極めて高い精度が要求される場合や、他の切削技術が容易に利用できない場合など、少量生産ロットで主に使用されます。ワイヤ放電加工では、誘電体液を介して巻線ワイヤとワークピースの間で一連の高速電流放電を行うことにより、ワークピースから材料を侵食してキー溝を切削します。コンピュータ数値制御（CNC）ワイヤ放電加工機では、同じハブに複数のキー溝を切削するなど、さまざまなキー溝を選択できます。CNCワイヤ放電加工の主な制限は、キー溝を切削するのにかかる時間と、特定のワイヤ放電加工機で対応できる部品のサイズです。[ 9 ]
シェーピングまたはスロット加工は、部品の全長にわたって伸びていないキー溝を切削する場合によく使用されます。キーシーティングと同様に、シェーピングも切削に単刃の切削工具を使用しますが、シェーパーは固定ポストに沿って切削方向がガイドされません。そのため、シェーパーによる切削は、キーシーティングによる切削よりも一般的にたわみが生じやすくなります。[ 9 ]
平行キー溝、テーパーキー溝、ウッドラフキー溝はフライス盤で製作できます。平行キー溝とテーパーキー溝にはエンドミルまたはスロッティングカッターが使用され、ウッドラフキー溝にはウッドラフカッターが使用されます。[ 10 ]
長さがそれほど長くない内部キー溝の場合、半径が許容範囲内であれば、キー溝をフライス加工することができます。
キー溝の最も初期の形態の1つは、ノミによる加工でした。ノミを使ってキー溝を大まかに削り出し、その後ヤスリでサイズを調整します。削りすぎを防ぐために、キーを頻繁に試します。この技術は時間がかかり、面倒で、現在ではほとんど使用されていません。[ 11 ]
せん断キーは、機械が設計限界を超えて誤って操作された場合に、破損してさらなる損傷を防ぐことを目的とした部品です。せん断キーは、上記で説明したどの設計でも構いませんが、シャフトよりも強度の低い材料で作られています。せん断キーは簡単かつ安価に交換でき、修理に費用や手間がかかるような機構の深刻な損傷を防ぎます。例えば、鋼製のシャフトとプーリーには真鍮製のキーが使用されることがあります。ジョイントに過大なトルクがかかると、鋼製のエッジが真鍮製のキーを2つにせん断し、プーリーがシャフト上で緩く回転することで、機械の他の部分が損傷するのを防ぎます。
シャフト接続に高いトルク定格が必要な場合は、2つの平行キーを使用できます。[ 3 ]
切削工具のたわみやずれが生じた不適切な加工のキー溝は、必要な用途に対して十分な強度を持たない可能性がある。[ 12 ]