Параллельно с испытаниями тяжелых танков КВ-1 и КВ-2 организовывалось производство тяжелых танков на серийной основе, при этом с немалыми трудностями. Не хватало многого: производственных площадей, материалов, станков, людей.
Челябинский тракторный завод также был подключен к программе выпуска новых тяжелых танков. Это были КВ-1 и КВ-2. Рассчитанный на массовое и крупносерийное производство, Челябинский тракторный завод имел серьезное преимущество над старым Путиловским, теперь Кировским заводом, и, когда потребовалось, стал выпускать вместо тракторов тяжелые пятидесятитонные танки, весившие в разы больше любого трактора. Изначально советские люди строили этот завод, учитывая, что его можно будет переоборудовать на производство танков.
Как бы то ни было, новый тракторный завод, никогда ранее не сталкивавшийся с производством танков и не имевший разностороннего опыта, в отличие от Кировского завода, довольно быстро встретил ряд проблем. В связи с этим, для оказания помощи коллегам, из Ленинграда в Челябинск прибыла группа конструкторов и технологов, возглавляемая инженерами М. Н. Ижевским и Л. А. Миркиным. С их помощью на Челябинском заводе наладили производство сначала отдельных узлов танка, а когда необходимый задел деталей был готов, произвели первую опытную сборку танка КВ.
Это произошло 31 декабря 1940 года, за полгода до нападения на нашу страну гитлеровской Германии. В то же время, еще до начала войны, в Челябинске стартовало строительство специального корпуса для сборки тяжелых танков КВ.
Помимо того, что на Ленинградском и Челябинском заводах открыли серийное производство тяжелых танков, шла работа по улучшению и модернизации текущих машин и созданию новых. Именно поэтому, на заводах начали разрабатывать новую модель на базе КВ-1. Этому проекту условно присвоили наименование КВ-3, объекты 220 и 222.
В первом варианте (объект 220) в качестве основного вооружения решили установить пушку конструктора В. Г. Грабина. В основу этого танкового орудия положили «хлесткую», как ее называли, зенитную пушку Ф-30, отличавшуюся высокой начальной скоростью, с боекомплектом 91 выстрел. Установка столь мощного орудия потребовала изменения размеров башни и увеличения диаметра погона: пришлось расширить подбашенную коробку и удлинить корпус танка. Естественно, увеличили толщину брони. Теперь основные детали защиты имели толщину до 100 мм. Установка нового, более тяжелого вооружения, изменение размеров корпуса и башни довели массу танка до 63 т.
На новый танк поставили дизельный двигатель с наддувом — В2К-Ф мощностью 650 кВт (850 л. с.), усилили коробку передач, по каждому борту добавили по одному опорному катку.
Второй вариант этой машины (объект 222) отличался от первого своей массой — 51 т. Он имел 90-мм бронирование и пушку Ф-32 калибра 76 мм, тоже конструктора В. Г. Грабина, с боекомплектом 111 выстрелов.
Одновременно с проектированием объектов 220 и 222 проводились проектные исследования еще и по объекту 223, на нем конструкторы искали пути улучшения трансмиссии и других систем силовой части танка.
В проектировании вариантов танка КВ-3 вместе с опытными кировскими инженерами участвовали выпускники военных академий и гражданских вузов, недавно принятые на работу в СКБ-2.
Сохранившиеся чертежи свидетельствуют, что над корпусом, например, работали недавние проектировщики СМК и КВ-1 К. И. Кузьмин, Н. В. Халкиопов, Б. Н. Яковлев и выпускник военной академии Л. Н. Переверзев. Над вооружением трудились мастера своего дела А. С. Шнейдман и Г. Я. Андандонский. Над коробкой передач работал военный инженер В. П. Павлов.
Основные усилия сосредоточили на поиске основного вооружения, соответствовавшего назначению тяжелого танка. Сложность заключалась в том, что в те времена специальной танковой пушки крупного калибра не существовало. К тяжелым танкам приспосабливали орудия полевой, а то и зенитной артиллерии, большой массы и неприемлемых для танка габаритов. При наличии таких пушек часто не было возможности скомпоновать должную форму башни. Это особенно бросается в глаза, если посмотреть на башню танка КВ-2, а также КВ-220, как часто называли опытный танк, объект 220.
Испытания опытных образцов новых машин показали высокие характеристики огневой мощи и защиты, особенно объекта 220, показавшего достаточную для тяжелого танка подвижность. Он достигал скорости 33 км/ч. Этот танк и был признан лучшим по результатам всех испытаний. Под индексом КВ-3 его даже приняли на вооружение. Кировский завод готовился к переводу серийного производства на эту машину, однако по ряду причин эта машина так и осталась в опытных образцах.