本发明属于机械加工设备技术领域，涉及一种多段式冷挤压强化装置，包括第一挤压芯棒；多个第二挤压芯棒，两两之间通过第一套筒同轴可拆卸式连接，且后一个第二挤压芯棒的直径比前一个第二挤压芯棒的直径大，第一挤压芯棒通过第二套筒和直径最小的第二挤压芯棒可拆卸式连接。本发明通过多段不同尺寸的芯棒组合而成的挤压装置可在一次定位条件下完成连续多段孔挤压强化，单次挤压量较小，有效减小了加工损伤，且通过多段挤压保证加工后孔的圆度，有效改善孔周形貌，对于二次芯棒冷挤压强化的强化类型，单次挤压量较小，且无需附加衬套工艺，节省了加工所需时间，提高了加工效率，并进一步改善了强化效果，实用性强，值得推广。