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1965年2月，中共中央發出《關于國防部第六、七、十研究院與生產部門合并的決定》。國防部第六、七、十研究院分別與第三、第六、第四機械工業部合并，各研究院改屬各部領導。同年8月，炮兵科學研究院與五機部精密機械科學研究院合并。各院分屬相應工業部建制領導，分別稱三機部六院、六機部七院、四機部十院和五機部精密機械科學研究院。至此，部院合并工作全部走完。
三線建設
至1960年代前期，中國國防工業已初具規模，國防工業布局初步得到改善，形成了沈陽、北京、太原、西安、成都、重慶、蘭州等國防工業企業比較集中的生產基地。從20世紀60年代中期開始，按照中央“立足于打仗，搶時間，改變布局，加快三線建設，首先是國防建設”的指示，國防工業按照規模小、專業化和協作的原則，全面展開了三線戰略后方的建設。
作出建設大小三線的戰略部署
1964年8月“北部灣事件”后，美國在越南的戰爭規模迅速擴大。毛澤東敏銳地指出：要打仗了。8月20日，毛澤東在聽取薄一波關于計劃工作的匯報時，著重談了在中央的戰略方針下工業的重新布局問題。毛澤東和中共中央毅然決定，迅速地向以戰備為中心的三線建設轉移。
遵照中共中央關于建設大小三線的戰略部署，國防工辦于1964年8月在京召開國防工業工作會議，研究部署國防工業大小三線建設的各項準備工作。9月3日，羅瑞卿在會上做了總結講話。他說，建設三線，要貫徹執行小型化、專業化的方針和“靠山、分散、隱蔽”的方針。會后，國防工業辦公室組織核、航空、航天、兵器、電子、船舶等國防工業部的領導同志，成立了10個勘察選廠工作隊，歷時兩個半月時間，在全國9省47個地市區內，踏勘了1499個點。后經綜合篩選，選中了適合國家國防軍工、國家重點骨干企業的682個點，初步確定了國家“三線”建設的戰略布局。
1965年3月，鄧小平主持召開中共中央書記處會議，批準了國務院《國防工業辦公室關于一二線省、市、區后方建設規劃的報告》。這樣，從“三五”計劃開始，在國防工業布局方面，國家在西南地區規劃了以重慶為中心的常規兵器工業基地、以成都為中心內的航空工業基地、以長江上游重慶至萬縣為中心的造船工業基地：在西北地區規劃了航天工業、航空工業、常規兵器、電子和光學儀器等工業基地。
三線建設全面展開
1965年至1967年，在大規模的三線建設背景下，中國國防工業的建設布局主要向大西南地區展開，遍及26個省、市、自治區的地方軍工建設（即小三線）也同時進行。1969年珍寶島事件后，來自北方的現實戰爭威脅日益凸顯，這樣就存在“三線變一線的問題”，國防工業的建設布局相應有所調整，中原腹地更加受到重視，位于太行山、伏牛山等地的大型后方基地建設掀起高潮。國防工業的大規模建設和布局調整一直持續到70年代末。
根據國防工辦的統一部署，以重慶和豫西、鄂西、湘西為重點，統籌規劃了兵器工業后方基地。1966年底，重慶常規兵器配套項目基本建成。從1967年起，五機部又相繼開始了豫西、鄂西、湘西地區后方基地的建設。兵器工業按照軍委統一部署，沿太行山脈興建“三大基地”，即：五四一基地、五三一基地、五四二基地。兵器工業通過三線建設改善了布局，適應了戰備的需要，三線地區的兵工企業在主要產品和生產能力方面都占全行業的一半以上，具有較強的應變能力。
航空工業從1966年到1976年，建設了40多個項目。至此，中國航空工業不僅在東北、華北、華東有了比較強的飛機、發動機及機載設備的生產能力，而且在中南、西南、西北等地建立起能夠制造殲擊機、轟炸機、運輸機、直升機的成套生產的基地。航空工業的布局發生了重大的變化。
六機部的三線建設，10多年里，分布于大、小三線地區的主要建設項目有50多個。另外，在川東、湖北和云南等地區建設的科研設計機構等項目有10余個，并將沿海地區相應的科研機構遷往上述地區。到70年代末，六機部的三線建設主要項目相繼建成或基本建成，開始為海軍建造了潛艇、快艇和水面艦艇等少量裝備。從全局來看，三線建設對改善工業布局，發展內地工業，具有長遠的戰略意義。它使中國船舶工業得以形成東北、華東、華南、中南、西南、西北地區的造船和配套設備生產基地，在布局上發生了重大變化。
在七機部的三線建設中，把建設大型液體燃料火箭基地（即062基地，后064基地也并入）放在首位，作為當時最緊迫的任務。按照一、二、三、四院“型號為綱，地區配套，對口包建”以及“小而分，專業化、大協作”的原則，二院負責對口建設的有061基地（貴州遵義）和068基地（湖南邵陽）；三院對口的是066基地（湖北遠安，后遷往孝感）；負責固體燃料火箭發動機研制的四院（063基地）幾經周折，最終定位在西安遠郊區。經過10多年的建設，七機部各三線基地和上海基地相繼建成，我國航天工業形成了比較完整配套的體系，達到了相當的規模。航天工業系統的布局進一步改善，特別是在祖國的腹地建立了可靠的戰略后方。
二機部召開工作會議，專門研究了調整戰略布局、壓縮“一線”、加快三線建設問題。1969年，位于四川綿陽梓潼縣的第二個核武器研制基地（“九〇二工程”）初步建成，九院陸續從青海搬遷至新基地。1969年7月，面對來自北面的戰爭威脅，軍委領導曾下令酒泉、包頭的核燃料工廠在1970年內全部遷往三線，由于三線工廠尚未建成，中央專委后來取消了這個決定，同時要求必須搶建三線工廠。70年代初，核工業三線建設工程陸續建成投產。三線建設改變了核工業的戰略布局，擴大了核工業的生產能力，提高了核工業的技術水平，增強了國防力量。實踐證明，核工業三線建設的決策是正確的，各項建設基本上是成功的。
