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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。
Broaching is primarily used to cut square cornered internal keyways. The specific broach, bushing and guide are used for each given keyway cross-section, which makes this process more expensive than most of the alternatives. However, it can produce the most accurate keyway out of all the processes. There are three main steps in broaching a keyway: First, the workpiece is set on the arbor press and the bushing is placed in the opening of the workpiece. Next, the broach is inserted and pushed through, cutting the keyway. Finally, shims are placed between the bushing and the broach to achieve the correct depth necessary for the key.[6]
Keyseaters, also known as keyseating machines and keyway cutters, are specialized machines designed to cut keyways. They are very similar to vertical shapers; the difference is that the cutting tool on a keyseater enters the workpiece from the bottom and cuts on the down-stroke, while the tool on a shaper enters the workpiece from the top and cuts downward. Another difference is a keyseater has a guiding system above the workpiece to minimize deflection, which results in a closer tolerance cut. The process starts by clamping the workpiece to the table with a fixture or vise. The workpiece is properly located and then the reciprocating arm is started. Some models have a stationary table so the cutter is fed horizontally into the workpiece, while others have a movable table that feeds the workpiece into a fixed cutter. These machines can cut other straight sided features other than keyways (see the picture). They can also produce blind slots, which are slots that do not extend through the whole workpiece.[7][8]
Wire-cut electrical-discharge machining (EDM) is primarily used for small production lot sizes where either extreme precision is required or other cutting technologies are not readily available. Wire-cut EDM cuts keyways by eroding material away from the workpiece through a series of rapid electric current discharges between a spooling wire and the workpiece through a dielectric liquid. Computer numerical control (CNC) wire-cut EDM machines allow for a wide variety selection of keyways to be cut, inclusive of multiple keyways on the same hub. The main limitations of CNC wire-cut EDM is the time it takes to cut a keyway as well as the size of parts a given wire-cut EDM machine can accommodate.[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 ]